01 ورقة مقدمة
تُستخدم الأغشية الرقيقة الضوئية (طبقات أو شبكات -مفردة/متعددة الطبقات) على نطاق واسع في شاشات العرض وأنظمة الليزر والأجهزة الطبية والفضاء. يعمل أسلوب القفل وتضخيم النبض (CPA) على - تشغيل ليزر البيكو ثانية/الفيمتو ثانية فائق السرعة، على الرغم من أن توسيع التطبيقات مثل معالجة المواد بسبب طاقة الذروة العالية، يتسبب أيضًا في تلف الليزر - الناجم عن تفاعلات الإلكترون غير -الفوتون الحراري- (امتصاص الفوتون المتعدد، والتأين الانهياري، وما إلى ذلك)، ليصبح عاملًا محددًا رئيسيًا لعمر المكونات البصرية. تعتبر شبكات الأفلام المعدنية، مع انعكاسها الواسع، حاسمة في سيناريوهات مثل ضغط نبض الليزر CPA، لكن الأبحاث الحالية لم تحقق بدقة في العلاقة بين مدة النبضة (خاصة التفاصيل القريبة من الحد الأدنى للضرر)، والنبضات المتعددة وعتبة الضرر، ولم تأخذ في الاعتبار بشكل مناسب التباين الزمني لتأثيرات المجال الكهربائي المحلي والخصائص البصرية. لذلك، تبحث هذه الدراسة، من خلال الحسابات والتجارب النظرية، في آليات تلف شبكات رقائق الألومنيوم (AMG) تحت إشعاع ليزر بيكو ثانية بمقدار 2-15 ps، مع تحديد عتبة الضرر باعتبارها الحد الأدنى من تأثر الليزر الذي يؤدي إلى تغييرات شكلية دائمة، في حين يشير "التأثير التراكمي" إلى التغيرات التدريجية في الخواص الحرارية أو الميكانيكية أو الإلكترونية للمادة الناتجة عن التعرض المتكرر.
02 نظرة عامة على النص الكامل
تركز هذه الدراسة على AMG، والتحليل المنهجي لمدة نبضة ليزر البيكو ثانية وتأثيرات الضرر التراكمية للنبضات المتعددة: أولاً، يتم استخدام تحليل الموجات -الصارم (RCWA) لمحاكاة توزيع المجال الكهربائي المحلي، وتحديد زوايا التلال الشبكية باعتبارها المناطق الأكثر عرضة للخطر؛ بعد ذلك، يصف نموذجا درجة الحرارة - (TTM) الديناميكيات فائقة السرعة للإلكترونات والشبكات، جنبًا إلى جنب مع معلمات الألومنيوم مثل الحرارة الكامنة للانصهار، للتنبؤ بعتبات تلف النبضة الفردية-والنبضات المتعددة-؛ تجريبيًا، تم إعداد نظام أساسي مزود بنظام تصوير في الوقت الفعلي- لقياس حدود الضرر باستخدام 2-15 ps ليزر عرض نبضي قابل للضبط، مما أدى إلى العثور على أدنى حد لتلف AMG عند 10 ps (القيمة التجريبية 0.0705 J/cm²)، أثناء استخدام معدل تكرار 1 كيلو هرتز لتجارب التشعيع النبضي 10-1000، لوحظ أن حد الضرر يتناقص تدريجيًا مع زيادة رقم النبض (ينخفض إلى 0.0346 جول/سم² عند 1000 نبضة)، ويتفاقم شكل الضرر (الاستئصال، والرش، وما إلى ذلك) مع النبضات التراكمية. جوهر الدراسة هو إنشاء علاقة كمية بين معلمات النبضة (عرض النبضة وعددها) وأضرار AMG، مما يوفر دعمًا نظريًا وتجريبيًا لتطوير الطلاءات البصرية المقاومة لليزر.
03 التحليل الرسومي
يوضح الشكل 1 بشكل بديهي عملية نقل الطاقة الأساسية للتفاعل بين ليزر البيكو ثانية وشبك فيلم الألومنيوم (AMG). كما هو موضح، عندما يسقط الليزر فائق السرعة، تمتص الإلكترونات الحرة الموجودة في المعدن طاقة الفوتون بسرعة وتثار، وتشكل نظامًا إلكترونيًا ذو درجة حرارة عالية-؛ بعد ذلك، تقوم الإلكترونات المثارة بنقل الطاقة إلى الشبكة خطوة بخطوة من خلال عمليات اقتران الفونون -الإلكترونية وتشتت الفونون-، مما يؤدي في النهاية إلى حدوث تغيرات في درجة حرارة الشبكة. تكسر هذه العملية التوازن الحراري بين الإلكترونات والشبكة وهي مصدر الطاقة الأساسي للضرر الناجم عن الليزر-، مما يوفر الإطار المادي للتأسيس اللاحق لنموذجي درجة الحرارة -(TTM).
يوضح الشكل 2، استنادًا إلى تحليل الموجات المزدوجة الصارمة (RCWA)، أنه عند طول موجة يبلغ 1030 نانومتر، تكون شدة المجال الكهربائي أعلى عند زوايا الحافة الشبكية، مما يشكل "نقاطًا ساخنة" تكشف عن نقاط البدء المحتملة للضرر. تشير أطياف النقل والانعكاس والامتصاص من AMG إلى أن زيادة فترة الشبكة تعزز امتصاص الطاقة عند أطوال موجية مختلفة، مما يزيد من خطر حدوث أضرار مادية. تُظهر صور SEM ضررًا واضحًا في زوايا حافة AMG، بما يتوافق مع مواقع "النقاط الساخنة" للمجال الكهربائي، مما يؤكد دقة عمليات محاكاة RCWA.
يحدد الشكل 3 تطور درجات حرارة الإلكترون والشبكة في AMG تحت التعرض لليزر البيكو ثانية باستخدام نموذج درجة الحرارة -: عند عرض نبضة تبلغ 10 ps، عندما تصل كثافة طاقة الليزر إلى 0.076 J/cm²، ترتفع درجة حرارة الشبكة إلى نقطة انصهار الألومنيوم (933 K)، والتي تمثل عتبة تلف النبضة المفردة - المحاكية لمدة 10 ps؛ عند كثافة طاقة ثابتة، تكون درجة حرارة الإلكترون القصوى لنبضة قصيرة بقدرة 2 ps أعلى بكثير من تلك الخاصة بنبضة طويلة تبلغ 15 ps (حيث تترسب النبضات الأقصر الطاقة بسرعة أكبر وتركز طاقة الإلكترون)؛ تحت عرض نبضة 10 ps مع معدل تكرار 1 كيلو هرتز، تنخفض عتبة الضرر بعد 10 نبضات إلى 0.0598 J/cm² بسبب التراكم الحراري، وهو أقل من عتبة النبضة المفردة -.
في الشكل 4، يحقق الإعداد التجريبي تحكمًا دقيقًا في معلمات الليزر و-ملاحظة للضرر في الوقت الفعلي من خلال وحدة التحكم في الطاقة المكونة من مصدر ليزر بعرض نبض قابل للضبط يبلغ 2-15 ps، ولوحة موجية نصف- ومستقطب، بالإضافة إلى وحدة مراقبة الوقت الحقيقي- مع نظام تصوير المجال المظلم؛ يوضح المنحنى أنه ضمن نطاق عرض النبضة 2-15 ps، تكون عتبة تلف AMG أقل عند 10 ps (القيمة التجريبية 0.0705 J/cm²، بما يتوافق إلى حد كبير مع القيمة المحاكاة البالغة 0.076 J/cm²)؛ يوضح الشكل الفرعي (ج) أنه في ظل عرض نبضة قدره 10 ps، مع زيادة عدد النبضات من 1 إلى 1000، تتوسع منطقة تلف AMG تدريجيًا ويصبح تناثر المواد شديدًا بشكل متزايد، مما يعكس بوضوح تأثير تراكم النبضات المتعددة.
خاتمة:
تجمع هذه الدراسة بين النظرية (RCWA + TTM) والتجارب لتوضيح سلوك الضرر لـ AMG تحت ليزر البيكو ثانية: تحدد RCWA بدقة زوايا التلال كمناطق معرضة للخطر، وتحاكي TTM بشكل فعال ديناميكيات الشبكة الإلكترونية - للتنبؤ بعتبات الضرر، وتؤكد التجارب أن 10 ps هي أدنى حد للضرر (الناتجة عن التأثيرات التآزرية لاسترخاء الفونون - للإلكترون، والحد من الانتشار الحراري للشبكة، و امتصاص عابر). هناك تأثير تراكمي كبير تحت 1 كيلو هرتز من تشعيع النبضات المتعددة-، مع انخفاض عتبة الضرر وتفاقم الضرر المورفولوجي مع زيادة عدد النبضات. على الرغم من أن TTM لا يعيد إنتاج القيم التجريبية المطلقة بشكل كامل بسبب إهمال عيوب المواد، وديناميكيات تغير الطور (مثل التبخر)، والتأثيرات الميكانيكية (مثل الإجهاد الحراري)، إلا أنه لا يزال يوفر إطارًا تحليليًا موحدًا للتفاعل بين الأفلام المعدنية المنظمة والليزر فائق السرعة. تعتبر النتائج بمثابة إرشادات مهمة لتحسين متانة أنظمة الليزر عالية الطاقة- والمكونات البصرية الدقيقة، وتصميم الحماية من الليزر في مجال الطيران ومعالجة الليزر الصناعية، كما تقدم دليلًا رئيسيًا لتحسين المواد وهياكل الأغشية المقاومة لليزر-.
