نشر فريق بحث مشترك بقيادة البروفيسور تشانغ بيلي من جامعة شنغهاي للعلوم الهندسية وجامعة لانكستر وشركة Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. ورقة بحثية بعنوان "الاقتران الكهرومغناطيسي-الهيدروديناميكي والتغذية المرتدة المورفولوجية في تكوين وتطور LIPSS على المعادن تحت إشعاع النبضات المتعددة- بالليزر الفيمتو ثانية" في المجلة الدولية للنمذجة الرياضية التطبيقية. أنشأ الفريق نموذجًا للفيزياء المتعددة يقترن بالنظرية الكهرومغناطيسية، والفيزياء الحرارية العابرة، والديناميكا المائية، واستخدم استراتيجية النبض التكراري -بواسطة-النبض لدراسة عملية تطور الهياكل السطحية الدورية المستحثة بالليزر (LIPSS) على أسطح سبائك التيتانيوم. من خلال الجمع بين التحقق التجريبي والمحاكاة العددية، كشف الفريق عن الآلية الفيزيائية لتكوين البنية النانوية وتطورها في ظل التأثير التآزري لتدفق مارانجوني وضغط الارتداد في ظل آلية التغذية المرتدة المورفولوجية.
01
مقدمة
تعد الهياكل السطحية الدورية المستحثة بالليزر (LIPSS) ظاهرة فيزيائية يمكن أن تولد هياكل دورية على أسطح المواد المختلفة (المعادن، وأشباه الموصلات، وما إلى ذلك) وقد تمت دراستها على نطاق واسع. يتم تصنيف LIPSS عمومًا إلى نوعين: LIPSS بفترة قريبة من الطول الموجي لليزر (LSFL) وLIPSS بفترة أصغر بكثير من الطول الموجي لليزر (HSFL). بالنسبة إلى LSFL الكلاسيكي، يتم قبول آلية التكوين على نطاق واسع كنتيجة للتداخل بين الليزر الساقط وبولاريتونات البلازمون السطحي (SPPs) المثارة على سطح المادة (النظرية الكهرومغناطيسية). على الرغم من أن النظرية الكهرومغناطيسية تشرح فترة واتجاه LSFL، إلا أنها تصف فقط ترسب الطاقة الأولية الثابتة ولا تشرح التطور الديناميكي للمادة في الحالة المنصهرة التي يسببها الليزر. إن عملية هجرة المادة في الحالة المنصهرة تعيد تشكيل شكل السطح إلى مزيج دوري من القمم والقيعان.
تتمتع معالجة الفيمتو ثانية بالليزر بمزايا فريدة في مجال التصنيع الدقيق- والنانو- نظرًا لدقة المعالجة العالية والمنطقة المتأثرة بالحرارة الصغيرة-. يعمل عرض النبضة البالغة القصر على تركيز طاقة الليزر على سطح المادة في وقت قصير للغاية، مما يؤدي إلى توليد مرحلة انتقالية غير متوازنة حراريًا. تهيمن الموصلية الحرارية للإلكترون وقوة اقتران الفونون - على نقل واسترخاء الطاقة الكهرومغناطيسية المترسبة داخل المادة أثناء العمليات فائقة السرعة. هذه العوامل هي الأسباب الأساسية للاختلافات في مورفولوجيا LIPSS التي لوحظت على مواد مختلفة. ومع ذلك، فإن تكوين LIPSS عبارة عن عملية تراكمية متعددة-للنبضات، حيث يعمل شكل السطح الناتج عن كل نبضة كشرط حدودي أولي للنبضة التالية. علاوة على ذلك، فإن انتظام LIPSS يُظهر اعتماداً قوياً على خصائص المواد. نادرًا ما أخذت عمليات المحاكاة العددية السابقة في الاعتبار تأثير مورفولوجيا السطح الناتجة عن النبضات السابقة على النبضات اللاحقة في بيئات فيزيائية متعددة-نبضات ومتعددة-. تؤدي التغيرات في مورفولوجيا سطح المادة في ظل ظروف النبضات المتعددة إلى عدم تجانس مجال درجة الحرارة، والذي يؤثر بدوره على إعادة توزيع السائل المنصهر الناجم عن تدرجات درجة الحرارة. وهذا يستلزم إجراء تحليل كمي ومناقشة لعملية تطور LIPSS من منظور النبض-بواسطة-النبض.
معالجة شعاع الليزر والإلكترون
02
طرق المحاكاة
لدراسة التطور التراكمي لـ LIPSS تحت إشعاع ليزر الفيمتو ثانية-النبضي المتعدد وآلية التغذية المرتدة الإيجابية ذات الصلة، يقوم سير عمل المحاكاة بتحليل تفاعل مادة الليزر-لنبضة واحدة إلى ثلاث خطوات مقترنة: حساب المجال الكهرومغناطيسي، والتطور الديناميكي الحراري، وديناميكيات الموائع، والتي يتم تكرارها بعد ذلك في عمليات المحاكاة التكرارية. نركز في هذه الدراسة على عملية التطور بدءًا من السطح الحتمي. تبدأ المحاكاة بمستوى مثالي وسلس، حيث تعتبر حفر الاجتثاث الناتجة عن معلمات الليزر واستجابة المواد بمثابة "الخشونة الفعالة" للاقتران الكهرومغناطيسي اللاحق. في هذا النموذج، يتم تمثيل هذه الخشونة الفعالة من خلال محاكاة الاجتثاث السطحي، وهي طريقة تزيل الشكوك المرتبطة بخشونة السطح الأولية العشوائية، مما يسمح لنا بدراسة كيفية تشكل LIPSS وانتشاره عند حواف الاجتثاث وداخل السطح.
03
ردود الفعل مورفولوجيا السطح
تحت -تشعيع ليزر الفيمتو ثانية متعدد النبضات، لا يعد تكوين LIPSS تراكبًا بسيطًا لمجال فيزيائي واحد، ولكنه عملية تطور ديناميكية يتفاعل فيها التأثير المورفولوجي السطحي للنبضات السابقة مع تأثير النبضات اللاحقة. يوضح الشكل 2 تطور مورفولوجيا سطح المادة والتوزيع المكاني المقابل للمجال الكهربائي تحت نبضات متعددة. بالنسبة للنبض الأولي (N=1)، يكون توزيع المجال الكهربائي على سطح المادة الملساء موحدًا جانبيًا، ويُظهر بشكل أساسي نمط موجة ثابتة يتكون من تداخل الضوء الساقط والضوء المنعكس. مع زيادة عدد النبضات (N=20، N=30)، يتطور السطح الأملس في البداية إلى حفر استئصال ضحلة. تعمل الواجهة غير المستوية- على كسر تماثل المستوى وتوفر مكون ناقل الموجة المستوية-المنتشر، مما يؤدي إلى ضعف إثارة SPP في الواجهة الهوائية المعدنية-. مع زيادة عدد النبضات (N=40، N=50)، تعمل الأخاديد الدورية التي تظهر كشبكات حيود أكثر فعالية، مما يؤدي إلى اقتران SPP أقوى. كما هو موضح في المنظر المكبر عند N=50، فإن التداخل بين SPP والضوء الساقط اللاحق يولد نقاطًا كهرومغناطيسية محلية مكانية داخل الأخاديد، حيث تكون شدة المجال الكهربائي أعلى بكثير من شدة المجال الساقط.
يوضح الشكل 3 تطور شكل سطح المادة وتوزيع ذروة درجة حرارة الشبكة المقابلة تحت أعداد مختلفة من النبضات (N=1-50). في المرحلة الأولية (N=1-10)، تتشكل حفر الاجتثاث على السطح المستوي. في هذا الوقت، يتم توزيع درجة حرارة السطح بسلاسة أفقيًا، ويُظهر توزيع درجة الحرارة المقابل ذروة منخفضة وواسعة، مما يعكس التوزيع الغاوسي لطاقة الليزر. مع زيادة عدد النبضات (N=20-50)، يظهر تدريجيًا توزيع عالي التباين لدرجات الحرارة الدورية، بما يتوافق مع ظهور الهياكل السطحية الدورية. وتتركز أعلى درجة حرارة شبكية في وديان هذه التراكيب الدورية، بينما تظل درجة الحرارة عند القمم منخفضة نسبيا. يوضح مخطط توزيع درجة الحرارة أنه مع زيادة عدد النبضات، يصبح اتساع تعديل درجة الحرارة هذا أكثر وضوحًا، وتزداد درجة حرارة الذروة تدريجيًا. من خلال الجمع بين هذا وبين تطور توزيع المجال الكهربائي الموضح في الشكل 2، يمكن تفسير توزيع درجة حرارة الشبكة تحت نبضات متعددة من خلال آلية التغذية المرتدة الحرارية الكهرومغناطيسية. تشكل النقاط الكهرومغناطيسية الساخنة الموجودة في الوديان مصادر حرارة غير منتظمة-مكانيًا، مما يؤدي في النهاية إلى توليد مجال درجة حرارة شبكي دوري يتوافق مع شكل السطح.
04
تدفق السوائل خلال مرحلة الذوبان
يتم نقل طاقة نبضة ليزر الفيمتو ثانية إلى الشبكة عبر اقتران الفونون الإلكتروني-. بمجرد وصول درجة حرارة الشبكة إلى نقطة الانصهار، تتشكل طبقة منصهرة عابرة على سطح المادة. يتم التحكم في التطور اللاحق لـ LIPSS على مقياس زمني بيكو ثانية ليس فقط عن طريق الاجتثاث الثابت ولكن أيضًا عن طريق النقل الهيدروديناميكي داخل هذه الطبقة المنصهرة. في هذا النموذج، يتم تحديد الدورية مسبقًا عن طريق ترسيب الطاقة الكهرومغناطيسية، في حين أن إجهاد مارانجوني وضغط الارتداد يدفعان في المقام الأول إلى إعادة توزيع وإزالة المواد المنصهرة. توضح الأشكال 4 و5 و6 اتجاهات تدفق المائع أثناء مرحلة الانصهار لعملية النبضات المتعددة - (N=20-40) مع تطور البنية الدورية من الضحلة إلى العميقة. في هذه المرحلة، تجاوزت درجة حرارة الشبكة نقطة الانصهار ولكنها لم تصل بعد إلى درجة حرارة التبخر. في هذه الأشكال الثلاثة، يمثل a1 وa2 قمم البنية الدورية، بينما يمثل a3 وa4 القيعان. كما هو مبين في الشكل 4، في المراحل الأولى من تكوين الهيكل الدوري (N=20)، تم إنشاء مجال درجة حرارة دورية على السطح، ويبدأ الهيكل المتموج في الظهور. في مناطق الوادي ذات أعلى درجات الحرارة (الشكل . 4(ج)) مدفوعة بتدرج التوتر السطحي، يتسبب تأثير مارانجوني في تدفق السائل السطحي المنصهر بسرعة عالية من مركز الوادي إلى القمم المجاورة. على العكس من ذلك، في مناطق القمة ذات درجات الحرارة الأدنى (الشكل . 4 (ب)) ، لوحظ أن السوائل من الوديان المجاورة تتقارب وتتراكم لأعلى. تكشف مقارنة هذه المناطق عن-تدفق متباين عالي السرعة في القيعان وتدفق متقارب منخفض السرعة في القمم. كما هو موضح في حقول التدفق في الشكل . 4(ب) و(ج)، يتسبب تدفق السائل السطحي نحو القمم في حدوث تدفق عكسي أعمق داخل البركة المنصهرة، ويعود من أسفل القمة إلى الوادي. ينتظم هذا المزيج من التدفق السطحي الخارجي والتدفق السفلي الداخلي{29}}في زوج من دوامات مارانجوني النموذجية داخل كل قمة وقاع للبنية الدورية. من خلال مقارنة الأشكال، يمكن أن نرى من الأشكال . 4 و5 و6 أنه مع تعمق الوديان، يقتصر السائل السطحي تدريجيًا داخلها (الأشكال . 4(ج)، 5(ج)، و6(ج)). تتوافق الوديان العميقة مع مجالات كهربائية محلية أقوى، وبالتالي تمنع الانتشار الحراري الجانبي من الوادي إلى القمم المجاورة. ويؤدي هذا إلى الحفاظ على تدرج أكثر حدة في درجات الحرارة داخل الوديان. ولذلك، بما أن القوى التي تحرك حركة السوائل تعتمد على درجة الحرارة، فإن هذه القوى تصبح محصورة بشكل متزايد داخل الوديان. ومن منظور زيادة عدد النبضات، فهذا يعني أن طاقة النبضات اللاحقة تُستخدم لتعميق الأخاديد الموجودة، بدلاً من استئصال القمم المتكونة بالفعل أو بناء هياكل جديدة. وبالتالي فإن فرق الارتفاع بين القمم والوديان يتزايد بشكل مستمر، مما يؤدي إلى تعميق تدريجي للبنية الدورية.
05
التحقق من المحاكاة
لتوضيح عملية تكوين الهياكل السطحية الدورية المدفوعة بالتأثير التآزري للتأثيرات الكهرومغناطيسية وتدفق السوائل تحت إشعاع النبضات المتعددة، تمت مقارنة تطور شكل السطح الذي لوحظ في تجربة المسح الخطي مع نتائج نموذج الفيزياء المتعددة التكراري، كما هو موضح في الشكل 7. في المرحلة الأولية من تراكم النبض في التجربة، تمت تغطية سطح المادة بشكل أساسي بواسطة جسيمات نانوية عشوائية تم إنشاؤها عن طريق الاستئصال - وإعادة ترسيب السوائل المنصهرة. في المحاكاة، استخدمنا نقطة البداية الفيزيائية المكافئة لتطور LIPSS، وهي حفر الاجتثاث المستحثة بالليزر -. يمكن أن تكون كل من الجسيمات النانوية العشوائية وحفر الاجتثاث بمثابة حدود متناثرة للنبضات اللاحقة، وبالتالي إثارة SPP. تنشئ النبضات اللاحقة مجالًا دوريًا لدرجة الحرارة على هذا السطح غير المستوي-من خلال تداخل SPP، مما يؤدي إلى إعادة توزيع المواد المنصهرة على طول هذه الفترة. بعد ذلك، تبدأ قوة مارانجوني وضغط الارتداد في دفع عملية إعادة توزيع السائل المنصهر، وبالتالي تعزيز تكوين LIPSS.
للتحقق من صحة نتائج المحاكاة بشكل أفضل، تمت مقارنة LIPSS تحت إضاءة ليزر الفيمتو ثانية -نقطة واحدة مع نتائج المحاكاة الرقمية. وكما هو مبين في الشكل 8، يظهر الاثنان درجة عالية من الاتساق في الدورية المكانية. لتحديد هذه الفترة، تم استخراج ملامح التدرج الرمادي المحلي لصورة SEM على طول الاتجاه العمودي على LIPSS، مما أدى إلى متوسط فترة تبلغ حوالي 980 نانومتر للهيكل التجريبي. يوضح الشكل 8 (ب) كفاف المقطع العرضي المحاكى - بنفس المقياس المكاني. من خلال تعيين محيط السطح المحاكى على صورة SEM بنفس الإحداثيات والمقياس، لوحظ أن المواضع المكانية للقمم والوديان المحاكاة تتوافق بشكل وثيق مع الخطوط الساطعة والداكنة في صورة SEM. تبلغ فترة المحاكاة حوالي 960 نانومتر، وهو ما يتوافق بشكل ممتاز مع النتائج التجريبية المقاسة باستخدام طريقة الكنتور.
06
خاتمة
قامت هذه الدراسة ببناء نموذج متعدد الفيزياء يعتمد على النظرية الكهرومغناطيسية، ونظرية ديناميكيات الموائع، والخواص الفيزيائية الحرارية للمواد من خلال المحاكاة العددية. لقد أوضح من البداية إلى النهاية تكوين الهياكل الدورية على الأسطح المعدنية المدفوعة بالتأثير التآزري للتأثيرات الكهرومغناطيسية وعدم استقرار تدفق السوائل تحت معالجة ليزر الفيمتو ثانية متعددة النبضات-. من خلال التكرارات النبضية المتعاقبة للمحاكاة على سطح المادة والتحليل المقارن لنتائج المحاكاة مع النتائج التجريبية، نستنتج أن تكوين LIPSS هو نتيجة التأثير التآزري للديناميكيات الكهرومغناطيسية والسوائل.
التفاعل بين ليزر الفيمتو ثانية الساقط وسطح المادة، في ظل وجود خشونة السطح، يثير SPPs التي تتداخل مع الضوء الساقط. تولد هذه العملية ترسيبًا دوريًا مكانيًا وغير منتظم للطاقة على سطح المادة. لقد أكدنا أن خشونة السطح الضرورية هذه يمكن أن تكون عبارة عن حفر استئصال ناجمة عن الليزر نفسه، والتي يمكن أن تكون بمثابة شروط حدودية لـ SPPs المثيرة. تعمل مورفولوجيا السطح التي شكلتها النبضات السابقة بمثابة حاجز حيود للنبضات اللاحقة، مما يحسن كفاءة اقتران SPP. بمجرد أن تمتص المادة هذه الطاقة الدورية، فإنها تتحول بسرعة إلى حقل تدرج درجة حرارة الشبكة المقابلة، وتشكل طبقة منصهرة عابرة على السطح. هذه الطبقة المنصهرة الرقيقة للغاية، والتي تتأثر بتدرج درجة الحرارة الدوري، غير مستقرة فيزيائيًا إلى حد كبير، وبالتالي يتم تنشيط نقل السوائل الذي يتحكم في هجرة المواد. أثناء مرحلة الانصهار، تعمل قوة مارانجوني، مدفوعة بالتوتر السطحي، على ترحيل السائل المنصهر من قيعان درجات الحرارة المرتفعة- إلى قمم درجات الحرارة المنخفضة-، مما يشكل تدفقًا متباينًا عالي السرعة- في القمم وتدفقًا متقاربًا منخفض السرعة في القمم. ومع زيادة عدد النبضات، تتعمق الأحواض تدريجيًا، وينحصر السائل السطحي تدريجيًا في الأحواض. أثناء مرحلة التبخير، تكون الزيادة الإضافية في درجة حرارة الشبكة مصحوبة بزيادة أخرى في ضغط الارتداد. عند هذه النقطة، يعمل ضغط الارتداد كآلية مهيمنة تدفع السائل، باستخدام قوة أقوى لدفع السائل من سطح القاع إلى الأسفل إلى ما تحت السطح، مع إزاحة السائل أفقيًا أيضًا إلى القمم.
