01 Введение в статью
Оптические тонкие пленки (одно-/много-покрытия или решетки) широко используются в дисплеях, лазерных системах, медицинских приборах и аэрокосмической отрасли. Методы-синхронизации мод и усиления чирпированных импульсов (CPA), используемые в пикосекундных/фемтосекундных сверхбыстрых лазерах, хотя и расширяют сферу применения, например обработку материалов, из-за высокой пиковой мощности, также вызывают лазерные-индуцированные повреждения из-за не-тепловых фотонных-электронных взаимодействий (многофотонное поглощение, лавинная ионизация и т. д.), становясь основным фактором, ограничивающим срок службы оптических компонентов. Решетки из металлической пленки с их широкой отражательной способностью имеют решающее значение в таких сценариях, как сжатие лазерных импульсов CPA, но существующие исследования не исследовали тщательно взаимосвязь между длительностью импульса (особенно детали вблизи минимального порога повреждения), множественными импульсами и порогом повреждения, а также не учитывали должным образом временные изменения эффектов локального электрического поля и оптических свойств. Таким образом, в этом исследовании посредством теоретических расчетов и экспериментов изучаются механизмы повреждения алюминиевых пленочных решеток (AMG) под пикосекундным лазерным облучением длительностью 2–15 пс, определяя порог повреждения как минимальную плотность энергии лазера, которая вызывает необратимые морфологические изменения, в то время как «кумулятивный эффект» относится к постепенным изменениям тепловых, механических или электронных свойств материала, вызванным повторным воздействием.
02 Полнотекстовый обзор
В этом исследовании основное внимание уделяется AMG, систематическому анализу длительности импульса пикосекундных лазеров и совокупному повреждающему эффекту от нескольких импульсов: во-первых, строгий анализ связанных -волн (RCWA) используется для моделирования локального распределения электрического поля, определяя углы выступов решетки как наиболее уязвимые области; затем двух-температурная модель (ТТМ) характеризует сверхбыструю динамику электронов и решеток в сочетании с параметрами алюминия, такими как скрытая теплота плавления, для прогнозирования порогов одно-импульсного и много-импульсного повреждения; экспериментально установлена платформа с-системой визуализации в реальном времени для измерения порогов повреждения с использованием 2-лазеров с перестраиваемой шириной импульса 15 пс, нахождения самого низкого порога повреждения AMG при 10 пс (экспериментальное значение 0,0705 Дж/см²). При использовании частоты повторения 1 кГц для экспериментов по облучению 10–1000 импульсов наблюдается, что порог повреждения прогрессивно снижается с увеличением числа импульсов. (падение до 0,0346 Дж/см² при 1000 импульсах), а морфология повреждений (абляция, разбрызгивание и т. д.) ухудшается при кумулятивных импульсах. Сутью исследования является установление количественной связи между параметрами импульса (шириной, числом) и повреждением АМГ, что обеспечивает теоретическое и экспериментальное обоснование разработки лазеростойких оптических покрытий.
03 Графический анализ
На рис. 1 наглядно показан процесс передачи энергии ядра при взаимодействии пикосекундного лазера с решеткой из алюминиевой пленки (АМГ). Как показано, при падении сверхбыстрого лазера свободные электроны в металле сначала быстро поглощают энергию фотонов и возбуждаются, образуя высокотемпературную электронную систему; впоследствии возбужденные электроны шаг за шагом передают энергию решетке посредством процессов электрон-фононного взаимодействия и процессов фононного-фононного рассеяния, что в конечном итоге вызывает изменения температуры решетки. Этот процесс нарушает тепловое равновесие между электронами и решеткой и является фундаментальным источником энергии лазерного-повреждения, обеспечивая физическую основу для последующего создания двух-температурной модели (ТТМ).
Рисунок 2, основанный на строгом анализе связанных-волн (RCWA), показывает, что на длине волны 1030 нм интенсивность электрического поля выше в углах гребней решетки, образуя «горячие точки», которые показывают вероятные точки начала повреждения. Спектры пропускания, отражения и поглощения AMG показывают, что увеличение периода решетки увеличивает поглощение энергии на разных длинах волн, повышая риск повреждения материала. СЭМ-изображения показывают очевидные повреждения в углах хребта AMG, соответствующие местоположениям «горячих точек» электрического поля, что подтверждает точность моделирования RCWA.
На рисунке 3 количественно представлена эволюция температуры электронов и решетки в АМГ под воздействием пикосекундного лазера с использованием двух-температурной модели: при ширине импульса 10 пс, когда плотность лазерной энергии достигает 0,076 Дж/см², температура решетки повышается до точки плавления алюминия (933 К), что представляет собой смоделированный порог повреждения одиночного-импульса для 10 пс; при фиксированной плотности энергии пиковая температура электронов для короткого импульса длительностью 2 пс намного выше, чем для импульса длительностью 15 пс (поскольку более короткие импульсы быстрее выделяют энергию и концентрируют энергию электронов); при ширине импульса 10 пс и частоте повторения 1 кГц порог повреждения после 10 импульсов падает до 0,0598 Дж/см² из-за теплового накопления, что ниже порога одиночного-импульса.
На рисунке 4 экспериментальная установка обеспечивает точный контроль параметров лазера и наблюдение-повреждения в реальном времени с помощью модуля управления энергией, состоящего из лазерного источника с перестраиваемой шириной импульса 2-15 пс, полуволновой пластины- и поляризатора, а также модуля мониторинга в реальном-времени с системой формирования изображения в темном поле; кривая показывает, что в диапазоне длительности импульса 2–15 пс порог повреждения АМГ является самым низким при 10 пс (экспериментальное значение 0,0705 Дж/см², что хорошо соответствует смоделированному значению 0,076 Дж/см²); На подрисунке (в) показано, что при длительности импульса 10 пс по мере увеличения количества импульсов от 1 до 1000 зона повреждения АМГ постепенно расширяется, а разбрызгивание материала становится все более сильным, что четко отражает эффект многоимпульсного накопления.
Заключение:
Это исследование сочетает в себе теорию (RCWA+TTM) и эксперименты по выяснению поведения повреждений AMG под действием пикосекундных лазеров: RCWA точно идентифицирует углы гребней как уязвимые области, TTM эффективно моделирует динамику электронной -решетки для прогнозирования порогов повреждения, а эксперименты подтверждают, что 10 пс — это самый низкий порог повреждения (в результате синергических эффектов электронно--фононной релаксации, ограничения термодиффузии решетки и переходного поглощения). Существует значительный кумулятивный эффект при многоимпульсном облучении частотой 1 кГц, с уменьшением порога повреждения и ухудшением морфологических повреждений по мере увеличения количества импульсов. Хотя ТТМ не полностью воспроизводит абсолютные экспериментальные значения из-за пренебрежения дефектами материала, динамикой фазового перехода (например, испарением) и механическими эффектами (такими как термическое напряжение), он по-прежнему обеспечивает единую аналитическую основу для взаимодействия между структурированными металлическими пленками и сверхбыстрыми лазерами. Полученные результаты служат важным ориентиром для повышения долговечности мощных-лазерных систем и прецизионных оптических компонентов, разработки лазерной защиты в аэрокосмической и промышленной лазерной обработке, а также предоставляют ключевые доказательства для оптимизации материалов и структур устойчивых к лазерному-пленкам.
