Совместная исследовательская группа под руководством профессора Чжан Пейлея из Шанхайского университета инженерных наук, Ланкастерского университета и компании Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. опубликовала в международном журнале Applied Mathematical Modelling исследовательскую работу под названием «Электромагнитная-гидродинамическая связь и морфологическая обратная связь в формировании и развитии LIPSS на металлах под действием многоимпульсного фемтосекундного лазера». Команда создала мультифизическую модель, объединяющую теорию электромагнетизма, переходную теплофизику и гидродинамику, и использовала импульсную--импульсную итерационную стратегию для изучения процесса эволюции лазерных-периодических поверхностных структур (LIPSS) на поверхностях титановых сплавов. Объединив экспериментальную проверку и численное моделирование, команда выявила физический механизм формирования и эволюции наноструктур под синергическим эффектом потока Марангони и давления отдачи в рамках механизма морфологической обратной связи.
01
Введение
Лазерно--индуцированные периодические поверхностные структуры (ЛИПСС) — это физическое явление, которое может создавать периодические структуры на поверхностях различных материалов (металлов, полупроводников и т. д.) и которое было тщательно изучено. ЛИПСС обычно разделяют на два типа: ЛИПСС с периодом, близким к длине волны лазера (LSFL), и ЛИПСС с периодом, значительно меньшим длины волны лазера (HSFL). Для классического LSFL широко распространен механизм формирования как результат интерференции падающего лазера и поверхностных плазмонных поляритонов (ППП), возбуждаемых на поверхности материала (электромагнитная теория). Хотя электромагнитная теория объясняет период и направление LSFL, она описывает только статическое начальное энерговыделение и не объясняет динамическую эволюцию материала в расплавленном состоянии, индуцированном лазером. Процесс миграции вещества в расплавленном состоянии преобразует морфологию поверхности в периодическую комбинацию пиков и впадин.
Фемтосекундная лазерная обработка имеет уникальные преимущества в области микро- и нано-производства благодаря высокой точности обработки и небольшой зоне термического-воздействия. Его сверхкороткая ширина импульса концентрирует лазерную энергию на поверхности материала за чрезвычайно короткое время, вызывая не-тепловой равновесный фазовый переход. Электронная теплопроводность и сила электронно--фононного взаимодействия доминируют в передаче и релаксации электромагнитной энергии, осаждаемой внутри материала во время сверхбыстрых процессов. Эти факторы являются фундаментальными причинами различий в морфологии LIPSS, наблюдаемых на различных материалах. Однако формирование LIPSS представляет собой кумулятивный много-импульсный процесс, при этом морфология поверхности, создаваемая каждым импульсом, действует как начальное граничное условие для следующего импульса. Более того, регулярность LIPSS сильно зависит от свойств материала. Предыдущие численные моделирования редко учитывали влияние морфологии поверхности, созданной предыдущими импульсами, на последующие импульсы в много-импульсных, мульти-физических средах. Изменения морфологии поверхности материала в условиях многоимпульсной работы приводят к неоднородности температурного поля, что, в свою очередь, влияет на перераспределение расплавленной жидкости, вызванное температурными градиентами. Это требует количественного анализа и обсуждения процесса эволюции LIPSS с точки зрения импульса-за-импульсом.
Лазерная и электронно-лучевая обработка
02
Методы моделирования
Чтобы изучить совокупную эволюцию LIPSS при многоимпульсном фемтосекундном лазерном облучении и связанный с ним механизм положительной обратной связи, рабочий процесс моделирования разбивает взаимодействие лазера-вещества с одним импульсом на три связанных этапа: расчет электромагнитного поля, термодинамическую эволюцию и гидродинамику, которые затем повторяются в итеративном моделировании. В этом исследовании мы фокусируемся на процессе эволюции, начиная с детерминированной поверхности. Моделирование начинается с идеальной гладкой плоскости, где абляционные ямы, создаваемые параметрами лазера и откликом материала, рассматриваются как «эффективная шероховатость» для последующей электромагнитной связи. В этой модели эта эффективная шероховатость представлена моделируемой абляцией поверхности — методом, который устраняет неопределенности, связанные со случайной начальной шероховатостью поверхности, что позволяет нам изучить, как LIPSS формируется и распространяется на краях абляции и внутри поверхности.
03
Обратная связь по морфологии поверхности
При многоимпульсном фемтосекундном лазерном облучении формирование LIPSS представляет собой не простую суперпозицию одного физического поля, а процесс динамической эволюции, в котором влияние морфологии поверхности предыдущих импульсов взаимодействует с влиянием последующих импульсов. На рис. 2 показана эволюция морфологии поверхности материала и соответствующее пространственное распределение электрического поля под воздействием нескольких импульсов. Для начального импульса (N=1) распределение электрического поля на гладкой поверхности материала является однородным в поперечном направлении и в основном представляет собой структуру стоячей волны, образованную интерференцией падающего и отраженного света. По мере увеличения числа импульсов (N=20, N=30) первоначально гладкая поверхность превращается в неглубокие ямки абляции. Не-плоский интерфейс нарушает симметрию плоскости и обеспечивает рассеянную в-плоскостную составляющую волнового вектора, что приводит к слабому возбуждению ППП на границе раздела металл-воздух. По мере дальнейшего увеличения количества импульсов (N=40, N=50) возникающие периодические канавки действуют как более эффективные дифракционные решетки, что приводит к более сильной SPP-связи. Как показано на увеличенном изображении N=50, интерференция между SPP и последующим падающим светом создает пространственные локальные электромагнитные горячие точки внутри канавок, где напряженность электрического поля значительно выше, чем интенсивность падающего поля.
Рисунок 3 иллюстрирует эволюцию морфологии поверхности материала и соответствующее распределение пиковой температуры решетки при различном количестве импульсов (N=1-50). На начальной стадии (N=1-10) на плоской поверхности образуются абляционные ямки. В это время температура поверхности плавно распределяется по горизонтали, а соответствующее распределение температуры имеет низкий и широкий пик, отражающий гауссово распределение энергии лазера. По мере увеличения количества импульсов (N=20-50) постепенно появляется высококонтрастное периодическое распределение температуры, согласующееся с появлением периодических поверхностных структур. Наибольшая температура решетки сосредоточена в долинах этих периодических структур, тогда как температура в пиках остается относительно низкой. График распределения температуры показывает, что с увеличением количества импульсов амплитуда этой температурной модуляции становится более выраженной, а пиковая температура постепенно увеличивается. Объединив это с эволюцией распределения электрического поля, показанной на рисунке 2, распределение температуры решетки при нескольких импульсах можно объяснить механизмом электромагнитной тепловой обратной связи. Электромагнитные горячие точки, расположенные во впадинах, образуют пространственно неоднородные источники тепла, в конечном итоге генерирующие периодическое температурное поле решетки, соответствующее морфологии поверхности.
04
Поток жидкости на стадии плавления
Энергия фемтосекундного лазерного импульса передается решетке посредством электрон-фононной связи. Как только температура решетки достигает точки плавления, на поверхности материала образуется переходный расплавленный слой. Последующая эволюция LIPSS в пикосекундном масштабе времени контролируется не только статической абляцией, но и гидродинамическим транспортом внутри этого расплавленного слоя. В этой модели периодичность предопределена выделением электромагнитной энергии, в то время как напряжение Марангони и давление отдачи в первую очередь управляют перераспределением и удалением расплавленного материала. На рисунках 4, 5 и 6 показаны тенденции течения жидкости на стадии плавления много-импульсного процесса (N=20-40), когда периодическая структура развивается от мелкой к глубокой. На этом этапе температура решетки превысила температуру плавления, но еще не достигла температуры испарения. На этих трех рисунках a1 и a2 представляют собой пики периодической структуры, а a3 и a4 представляют собой впадины. Как показано на рисунке 4, на ранних стадиях формирования периодической структуры (N=20) на поверхности устанавливается периодическое температурное поле и начинает проявляться волнистая структура. В областях впадин с самыми высокими температурами (рис. 4(c)), вызванный градиентом поверхностного натяжения, эффект Марангони заставляет расплавленную поверхностную жидкость течь с высокой скоростью от центра впадины к соседним пикам. И наоборот, в областях гребней с самыми низкими температурами (рис. 4(b)) наблюдается сходимость и скопление жидкости из соседних долин вверх. Сравнение этих регионов показывает расходящийся поток с высокой-скоростью во впадинах и сходящийся поток с низкой-скоростью в гребнях. Как показано на полях течения на рис.. 4(b) и (c), поток поверхностной жидкости к гребням вызывает обратный поток глубже внутри ванны расплава, возвращающийся из-под пика в впадину. Эта комбинация внешнего поверхностного потока и внутреннего придонного потока само-организуется в пару типичных вихрей Марангони внутри каждого гребня и впадины периодической структуры. Сравнивая рисунки, на рисунках . 4, 5 и 6 видно, что по мере углубления впадин поверхностная жидкость постепенно удерживается внутри них (рис. . 4 (c), 5 (c) и 6 (c)). Более глубокие впадины соответствуют более сильным локальным электрическим полям, тем самым подавляя боковую термодиффузию из впадины к соседним пикам. Это приводит к поддержанию более крутого градиента температуры в долинах. Следовательно, поскольку силы, вызывающие движение жидкости, зависят от температуры, эти силы все больше ограничиваются впадинами. С точки зрения увеличения количества импульсов это означает, что энергия последующих импульсов используется для углубления существующих канавок, а не для удаления уже образовавшихся пиков или построения новых структур. Следовательно, разница высот между пиками и впадинами постоянно увеличивается, что приводит к постепенному углублению периодической структуры.
05
Проверка моделирования
Чтобы проиллюстрировать процесс формирования периодических поверхностных структур, обусловленный синергическим эффектом электромагнитных эффектов и потока жидкости при многоимпульсном облучении, эволюцию морфологии поверхности, наблюдаемую в эксперименте с линейным сканированием, сравнивали с результатами итеративной мультифизической модели, как показано на рисунке 7. На начальном этапе накопления импульсов в эксперименте поверхность материала была в основном покрыта случайными наночастицами, генерируемыми в результате абляции-переосаждения и переноса расплавленной жидкости. При моделировании мы использовали физически эквивалентную отправную точку эволюции LIPSS, а именно ямы абляции, индуцированные лазером. Как случайные наночастицы, так и ямы абляции могут служить границами рассеяния для последующих импульсов, тем самым возбуждая ППП. Последующие импульсы создают периодическое температурное поле на этой не-плоской поверхности посредством помех SPP, вызывая перераспределение расплавленного материала в течение этого периода. Затем сила Марангони и давление отдачи начинают стимулировать перераспределение расплавленной жидкости, тем самым способствуя образованию LIPSS.
Чтобы лучше проверить результаты моделирования, LIPSS при одноточечном фемтосекундном лазерном освещении сравнивался с результатами численного моделирования. Как показано на рисунке 8, они демонстрируют высокую степень согласованности пространственной периодичности. Чтобы количественно оценить этот период, локальные контуры в оттенках серого изображения SEM были извлечены вдоль направления, перпендикулярного LIPSS, что дало средний период примерно 980 нм для экспериментальной структуры. На рисунке 8(b) показан смоделированный контур поперечного сечения в том же пространственном масштабе. При нанесении контура моделируемой поверхности на изображение СЭМ с теми же координатами и масштабом было замечено, что пространственное положение моделируемых пиков и впадин точно соответствует ярким и темным полосам на изображении СЭМ. Смоделированный период составляет примерно 960 нм, что прекрасно согласуется с экспериментальными результатами, измеренными контурным методом.
06
Заключение
В этом исследовании была построена мультифизическая модель, основанная на теории электромагнетизма, теории гидродинамики и теплофизических свойствах материалов посредством численного моделирования. Это от начала до конца объясняло образование периодических структур на металлических поверхностях, вызванное синергическим эффектом электромагнитных эффектов и нестабильностей потока жидкости при многоимпульсной фемтосекундной лазерной обработке. Путем последовательных импульсных итераций моделирования на поверхности материала и сравнительного анализа результатов моделирования с экспериментальными результатами мы пришли к выводу, что формирование LIPSS является результатом синергетического действия электромагнитной и гидродинамики.
Взаимодействие падающего фемтосекундного лазера с поверхностью материала при наличии шероховатости поверхности возбуждает ППП, интерферирующие с падающим светом. Этот процесс генерирует пространственно-периодическое и неоднородное энерговыделение на поверхности материала. Мы подтвердили, что эта необходимая шероховатость поверхности может быть абляционными ямками, вызванными самим лазером, которые могут служить граничными условиями для возбуждения ППП. Морфология поверхности, сформированная предыдущими импульсами, действует как дифракционная решетка для последующих импульсов, повышая эффективность связи SPP. Как только эта периодическая энергия поглощается материалом, она быстро преобразуется в соответствующее поле градиента температуры решетки, образуя переходный расплавленный слой на поверхности. Этот чрезвычайно тонкий расплавленный слой, находящийся под влиянием периодического температурного градиента, физически очень нестабилен, тем самым активируя транспорт жидкости, который контролирует миграцию материала. На стадии плавления сила Марангони, движимая поверхностным натяжением, перемещает расплавленную жидкость из впадин с высокой-температурой к гребням с низкой-температурой, образуя расходящийся поток с высокой-скоростью во впадинах и сходящийся поток с низкой-скоростью в гребнях. По мере увеличения числа импульсов впадины постепенно углубляются, и поверхностная жидкость постепенно ограничивается впадинами. На стадии испарения дальнейшее повышение температуры решетки сопровождается дальнейшим ростом давления отдачи. В этот момент давление отдачи действует как доминирующий механизм, перемещающий жидкость, используя более сильную силу для перемещения жидкости с поверхности впадин вниз к недрам, а также смещая жидкость в поперечном направлении к гребням.
