D'fhoilsigh comhfhoireann taighde faoi cheannas an Ollaimh Zhang Peilei ó Ollscoil Eolaíochta Innealtóireachta Shanghai, Ollscoil Lancaster, agus Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. páipéar taighde dar teideal "Aiseolas cúplála agus moirfeolaíochta leictreamaighnéadacha i bhfoirmiú agus in éabhlóid LIPSS ar mhiotail faoi ionradaíocht chuisle femtosecond san iris Shamhaltú Idirnáisiúnta Matamaitice". Bhunaigh an fhoireann samhail ilfhisic a chúpláil le teoiric leictreamaighnéadach, teirmifhisic neamhbhuan, agus hidridinimic, agus d’úsáid siad straitéis atriallach bíog chun staidéar a dhéanamh ar phróiseas éabhlóid na struchtúr dromchla tréimhsiúil spreagtha léasair (LIPSS) ar dhromchlaí cóimhiotail tíotáiniam. Trí fhíorú turgnamhach agus insamhalta uimhriúil a chomhcheangal, nocht an fhoireann meicníocht fhisiceach foirmiú agus éabhlóid nanastruchtúir faoi éifeacht sineirgisteacha sreabhadh Marangoni agus brú recoil faoin meicníocht aiseolais mhoirfeolaíochta.
01
Réamhrá
Is feiniméan fisiceach iad struchtúir dromchla tréimhsiúla spreagtha léasair (LIPSS) ar féidir leo struchtúir thréimhsiúla a ghiniúint ar dhromchlaí ábhar éagsúla (miotail, leathsheoltóirí, etc.) agus tá staidéar forleathan déanta orthu. Déantar LIPSS a rangú go ginearálta i dhá chineál: LIPSS le tréimhse gar don tonnfhad léasair (LSFL) agus LIPSS le tréimhse i bhfad níos lú ná an tonnfhad léasair (HSFL). Maidir le LSFL clasaiceach, glactar go forleathan leis an meicníocht foirmithe mar thoradh ar chur isteach idir an léasair teagmhais agus polaraíocht plasmon dromchla (SPPanna) ar bís ar dhromchla an ábhair (teoiric leictreamaighnéadach). Cé go míníonn teoiric leictreamaighnéadach tréimhse agus treo LSFL, ní dhéanann sé ach cur síos ar an sil-leagan fuinnimh tosaigh statach agus ní mhíníonn sé éabhlóid dhinimiciúil an ábhair i stát leáite spreagtha ag léasair. Déanann próiseas imirce ábhair sa stát leáite athmhúnlú ar mhoirfeolaíocht an dromchla ina meascán tréimhsiúil de bhuaiceanna agus trachanna.
Tá buntáistí uathúla ag baint le próiseáil léasair femtosecond i réimse na micri- agus nana-mhonaraíochta de bharr a beachtas ardphróiseála agus an crios a bhfuil tionchar ag teas beag air. Díríonn a leithead bíge ultraghearr fuinneamh léasair ar dhromchla an ábhair i dtréimhse ama an-ghearr, rud a ghineann trasdul céime cothromaíochta neamhtheirmeach. Tá seoltacht leictreon-theirmeach agus neart cúplála leictreon-fónóin chun tosaigh ar tharchur agus ar mhaolú an fhuinnimh leictreamaighnéadach a thaisctear san ábhar le linn próisis ultrafast. Is iad na fachtóirí seo na cúiseanna bunúsacha leis na difríochtaí i deilbhíocht LIPSS a breathnaíodh ar ábhair éagsúla. Próiseas carnach il-bhulsaí is ea foirmiú LIPSS, áfach, agus an mhoirfeolaíocht dromchla a ghintear trí gach bíog ag feidhmiú mar choinníoll tosaigh teorann don chéad chuisle eile. Ina theannta sin, léiríonn rialtacht LIPSS spleáchas láidir ar airíonna ábhar. Is annamh a bhreithnigh ionsamhlúcháin uimhriúla roimhe seo tionchar na moirfeolaíochta dromchla a ghin bíoga roimhe seo ar bhioga ina dhiaidh sin i dtimpeallachtaí il-bulse, il{{{-{{-). Mar thoradh ar athruithe ar mhoirfeolaíocht dhromchla an ábhair faoi choinníollacha il-bíonn neamhchineálacht réimse teochta, rud a chuireann isteach ar a sheal ar athdháileadh sreabhán leáite de bharr grádáin teochta. Teastaíonn anailís chainníochtúil agus plé ar an bpróiseas éabhlóide LIPSS ó pheirspictíocht bíge de réir -beidhme.
Próiseáil Léasair & Leictreonaic
02
Modhanna Insamhladh
Chun staidéar a dhéanamh ar éabhlóid charnach LIPSS faoi ionradaíocht léasair il-pulse femtosecond agus an mheicníocht aiseolais dhearfach ghaolmhar, díscaoileann an sreabhadh oibre ionsamhlúcháin an t-idirghníomhú ábhair léasair de chuisle amháin i dtrí chéim chúpláilte: ríomh réimse leictreamaighnéadach, éabhlóid teirmidinimiciúil, agus dinimic sreabhach, a dhéantar arís agus arís eile in insamhaltaí atriallacha. Sa staidéar seo, dírímid ar an bpróiseas éabhlóide ag tosú ó dhromchla cinntitheach. Tosaíonn an t-ionsamhlú le plána idéalach, réidh, ina mbreathnaítear ar na claiseanna ablation a ghintear trí pharaiméadair léasair agus ar fhreagra ábhair mar an "garbhacht éifeachtach" le haghaidh cúplála leictreamaighnéadach ina dhiaidh sin. Sa mhúnla seo, déantar an gharbhacht éifeachtach seo a léiriú ag ablation dromchla insamhlaithe, modh a chuireann deireadh le neamhchinnteachtaí a bhaineann le garbh an dromchla tosaigh randamach, rud a ligeann dúinn staidéar a dhéanamh ar an gcaoi a bhfoirmíonn agus a iomadaíonn LIPSS ag imill an ablation agus laistigh den dromchla.
03
Aiseolas moirfeolaíocht Dromchla
Faoi ionradaíocht léasair femtosecond il-pulse, ní forshuíomh simplí de réimse fisiceach amháin é foirmiú LIPSS, ach próiseas éabhlóide dinimiciúil ina n-idirghníomhaíonn tionchar moirfeolaíochta dromchla na bíoga roimhe seo le tionchar na bíoga roimhe seo. Taispeánann Figiúr 2 éabhlóid mhoirfeolaíocht dromchla an ábhair agus dáileadh spásúil comhfhreagrach an réimse leictrigh faoi il bíoga. Maidir leis an gcuis tosaigh (N=1), tá dáileadh an réimse leictrigh ar an dromchla ábhar mín aonfhoirmeach go cliathánach, ag taispeáint go príomha patrún tonn seasamh a foirmíodh de bharr trasnaíochta teagmhais agus solas frithchaite. De réir mar a thagann méadú ar líon na bíoga (N=20, N=30), athraíonn an dromchla mín ar dtús ina chlaiseanna éadoimhne. Briseann an comhéadan neamhphlánánach siméadracht an eitleáin agus soláthraíonn sé an comhpháirt veicteoir tonnta scaipthe san eitleán, rud a fhágann go bhfuil sceitimíní lag SPP ag an gcomhéadan aeir miotail. De réir mar a mhéadaíonn líon na bpulsanna a thuilleadh (N=40, N=50), feidhmíonn na grooves tréimhsiúla atá le feiceáil mar ghráid díraonta níos éifeachtaí, rud a fhágann cúpláil SPP níos láidre. Mar a léirítear sa radharc méadaithe ag N=50, gineann an cur isteach idir an SPP agus solas teagmhais ina dhiaidh sin spotaí te leictreamaighnéadacha áitiúla spásúla laistigh de na grooves, áit a bhfuil déine an réimse leictrigh i bhfad níos airde ná déine an réimse teagmhais.
Léiríonn Figiúr 3 éabhlóid mhoirfeolaíocht dromchla an ábhair agus an dáileadh teochta laitíse buaic comhfhreagrach faoi uimhreacha éagsúla bíoga (N=1-50). Sa chéim tosaigh (N=1-10), foirmíonn claiseanna ablation ar an dromchla réidh. Ag an am seo, déantar an teocht dromchla a dháileadh go réidh go cliathánach, agus taispeánann an dáileadh teochta comhfhreagrach buaic íseal agus leathan, rud a léiríonn dáileadh Gaussach an fhuinnimh léasair. De réir mar a mhéadaíonn líon na gcuacha (N=20-50), feictear dáileadh teochta tréimhsiúil codarsnachta ard de réir a chéile, ag teacht le teacht chun cinn na struchtúr dromchla tréimhsiúil. Tá an teocht laitíse is airde comhchruinnithe i gleannta na struchtúr tréimhsiúil seo, agus tá an teocht ag na beanna fós sách íseal. Léiríonn an plota dáileadh teochta, de réir mar a mhéadaíonn líon na bíoga, go dtiocfaidh aimplitiúid an mhodhnaithe teochta seo níos suntasaí, agus go dtiocfaidh méadú ar an mbuaic-teocht de réir a chéile. Trí é seo a chomhcheangal le héabhlóid an dáileadh réimse leictrigh a thaispeántar i bhFíor 2, is féidir an dáileadh teocht laitíse faoi il-bhíoga a mhíniú trí mheicníocht aiseolais teirmeach leictreamaighnéadach. Cruthaíonn spotaí te leictreamaighnéadacha atá suite sna gleannta foinsí teasa neamh-éide spásúlachta, rud a ghineann réimse teochta laitíse tréimhsiúil a fhreagraíonn do mhoirfeolaíocht an dromchla.
04
Sreabhadh Sreabhán Le linn na Céime Leáphointe
Aistrítear fuinneamh bíog léasair femtosecond chuig an laitís trí chúpláil leictreon-phonóin. Nuair a shroicheann an teocht laitíse an pointe leá, foirmíonn ciseal leáite neamhbhuan ar dhromchla an ábhair. Tá éabhlóid an LIPSS ina dhiaidh sin ar scála ama picosecond á rialú ní hamháin ag ablation statach ach freisin ag an iompar hidridinimiciúil laistigh den tsraith leáite seo. Sa mhúnla seo, déantar tréimhsiúlacht a réamhshainiú trí thaisceadh fuinnimh leictreamaighnéadach, agus is é strus Marangoni agus brú aisghabhála a spreagann athdháileadh agus baint an ábhair leáite go príomha. Léiríonn Fíoracha 4, 5, agus 6 na treochtaí sreafa sreabháin le linn na céime leá de phróiseas il-bhulse (N=20-40) de réir mar a athraíonn an struchtúr tréimhsiúil ó éadomhain go domhain. Ag an gcéim seo, tá an teocht laitíse níos mó ná an pointe leá ach níor shroich an teocht vaporization fós. Sna trí fhigiúr seo, seasann a1 agus a2 do bhuaiceanna an struchtúir peiriadach, agus seasann a3 agus a4 do na trachanna. Mar a thaispeántar i bhFíor 4, sna céimeanna tosaigh de fhoirmiú struchtúr tréimhsiúil (N=20), tá réimse teochta tréimhsiúla bunaithe ar an dromchla, agus tosaíonn struchtúr wavy le feiceáil. Sna réigiúin ghleann ina bhfuil na teochtaí is airde (Fíor. 4(c)), á dtiomáint ag an ngrádán teannas dromchla, cuireann éifeacht Marangoni faoi deara go sreabhann an sreabhán dromchla leáite ag luas ard ó lár an ghleanna go dtí na beanna in aice láimhe. Os a choinne sin, sna réigiúin uachtair ina bhfuil na teochtaí is ísle (Fíor. 4(b)), breathnaítear ar shreabhán ó ghleannta cóngaracha le chéile agus ag carnadh aníos. Léiríonn comparáid idir na réigiúin seo sreabhadh ardluais éagsúil sna trachanna agus sreabhadh inréimneach ísealluais sna suaitheantais. Mar a léirítear i réimsí sreafa Fíor. 4(b) agus (c), cruthaíonn sreabhadh an tsreabháin dromchla i dtreo na gcrannán cúlshreabhadh níos doimhne laistigh den linn leáite, ag filleadh ó thíos den bhuaic go dtí an ghleann. Eagraítear an teaglaim seo de shreabhadh dromchla amach agus féinsreabhadh bun isteach-i bpéire gnáth-ghuth Marangoni laistigh de gach suaitheantas agus umar den struchtúr peiriadach. Trí na figiúirí a chur i gcomparáid, is féidir a fheiceáil ó Fhíoracha . 4, 5, agus 6, de réir mar a dhoimhníonn na gleannta, go bhfuil an sreabhach dromchla teoranta laistigh díobh de réir a chéile (Fíoracha . 4(c), 5(c), agus 6(c)). Freagraíonn gleannta níos doimhne do réimsí leictreacha áitiúla níos láidre, rud a shochtann idirleathadh teirmeach cliathánach ón ngleann go beanna cóngaracha. Mar thoradh air seo coinnítear grádán teochta níos géire laistigh de na gleannta. Mar sin, ós rud é go mbraitheann na fórsaí atá ag tiomáint gluaiseachta sreabhán ar theocht, éiríonn na fórsaí seo níos teoranta laistigh de na gleannta. Ó thaobh an líon bíoga a mhéadú, ciallaíonn sé seo go n-úsáidtear fuinneamh na bíoga ina dhiaidh sin chun grooves atá ann cheana féin a dhoimhniú, seachas beanna atá déanta cheana féin a ablate nó struchtúir nua a thógáil. Mar thoradh air sin, méadaíonn an difríocht airde idir beanna agus gleannta go leanúnach, rud a fhágann go ndéantar an struchtúr tréimhsiúil a dhoimhniú de réir a chéile.
05
Fíorú Insamhladh
Chun próiseas foirmithe struchtúir dromchla tréimhsiúla a léiriú atá tiomáinte ag éifeacht sineirgisteacha éifeachtaí leictreamaighnéadacha agus sreabhadh sreabhach faoi ionradaíocht il- cuisle, rinneadh comparáid idir an éabhlóid mhoirfeolaíochta dromchla a breathnaíodh sa turgnamh scanadh líneach le torthaí an mhúnla multiphysics atriallach, mar a thaispeántar i bhFíor 7. Sa chéim tosaigh de charnadh bíog sa turgnamh, bhí an chuid is mó clúdaithe ag an ábhar dromchla ábhar randamach a ghintear trí na cáithníní ábhar randamach. ablation-athshuíomh agus iompar sreabhán leáite. San ionsamhlúchán, d’úsáideamar an pointe tosaigh fisiceach coibhéiseach d’éabhlóid LIPSS, eadhon claiseanna díláithrithe spreagtha ag léasair. Is féidir le nana-cháithníní randamacha agus claiseanna díothaithe feidhmiú mar theorainneacha scaipthe do bhioga ina dhiaidh sin, rud a chuireann SPP spreagúil orthu. Bunaíonn bíoga ina dhiaidh sin réimse teochta tréimhsiúil ar an dromchla neamh-phlánach seo trí chur isteach SPP, rud a chuireann athdháileadh ábhair leáite chun cinn feadh na tréimhse seo. Ansin, tosaíonn fórsa Marangoni agus brú aisghabhála ag tiomáint athdháileadh sreabhán leáite, rud a chuireann foirmiú LIPSS chun cinn.
Chun na torthaí ionsamhlúcháin a bhailíochtú níos fearr, cuireadh an LIPSS faoi soilsiú léasair femtosecond pointe amháin i gcomparáid leis na torthaí insamhalta uimhriúla. Mar a léirítear i bhFíor 8, léiríonn an dá cheann leibhéal ard comhsheasmhachta ó thaobh tréimhsiúlacht spáis. Chun an tréimhse seo a chainníochtú, baineadh comhrianta áitiúla liathscála den íomhá SEM feadh na treorach ingearach leis an LIPSS, rud a thug meántréimhse de thart ar 980 nm don struchtúr turgnamhach. I bhFíor 8(b) taispeántar an tras-chomhrian insamhlaithe ar an scála spásúil céanna. Trí imlíne an dromchla ionsamhlaithe a mhapáil ar íomhá an SEM ag na comhordanáidí agus an scála céanna, tugadh faoi deara go gcomhfhreagraíonn suíomhanna spásúlachta na beanna agus na gleannta insamhlaithe go dlúth leis na stríoca geala agus dorcha san íomhá SEM. Tá an tréimhse insamhladh thart ar 960 nm, atá ag teacht go sármhaith leis na torthaí turgnamhacha arna dtomhas ag baint úsáide as an modh comhrianta.
06
Conclúid
Thóg an staidéar seo samhail ilfhisic bunaithe ar theoiric leictreamaighnéadach, ar theoiric dinimic sreabhach, agus ar airíonna teirmfhisiceacha ábhar trí ionsamhlúchán uimhriúil. Míníodh ann ó thús go deireadh foirmiú struchtúir thréimhsiúla ar dhromchlaí miotail arna dtiomáint ag éifeacht sineirgisteacha na n-éifeachtaí leictreamaighnéadacha agus éagobhsaíocht sreafa sreabhán faoi chóireáil léasair il-pulse femtosecond. Trí atriallta cuisle comhleanúnacha ar an dromchla ábhair agus anailís chomparáideach ar thorthaí insamhalta le torthaí turgnamhacha, déanaimid an tátal go bhfuil foirmiú LIPSS mar thoradh ar éifeacht sineirgisteacha na dinimic leictreamaighnéadacha agus sreabhach.
Spreagann an idirghníomhaíocht idir an léasair femtosecond teagmhasach agus an dromchla ábhar, i láthair garbh an dromchla, SPPanna a chuireann isteach ar an solas teagmhais. Gineann an próiseas seo sil-leagan fuinnimh spásúla tréimhsiúla agus neamhéide ar dhromchla an ábhair. Dhearbhaíomar gur féidir leis an garbhacht dromchla riachtanach seo a bheith ina chlaiseanna ablation de bharr an léasair féin, ar féidir leo feidhmiú mar choinníollacha teorann le haghaidh SPPanna spreagúla. Feidhmíonn an mhoirfeolaíocht dromchla arna foirmiú ag bíoga roimhe seo mar ghríl díraonta le haghaidh bíoga ina dhiaidh sin, ag feabhsú éifeachtúlacht cúplála SPP. Nuair a bheidh an fuinneamh tréimhsiúil seo glactha ag an ábhar, athraíonn sé go tapa isteach i réimse grádán teochta laitíse comhfhreagrach, ag cruthú ciseal leáite neamhbhuan ar an dromchla. Tá an ciseal leáite thar a bheith tanaí seo, a bhfuil tionchar ag an grádán teochta tréimhsiúil, an-éagobhsaí go fisiciúil, rud a ghníomhaíonn iompar sreabhán a rialaíonn imirce ábhar. Le linn na céime leá, aistríonn fórsa Marangoni, atá tiomáinte ag teannas dromchla, an sreabhán leáite ó trachanna ardteochta go dtí uachtair teochta íseal, rud a chruthaíonn sreabhadh éagsúil ardluais sna trachanna agus sreabhadh inréimneach ísealluais sna uachtair. De réir mar a mhéadaíonn líon na bíoga, déantar na trachanna a dhoimhniú de réir a chéile, agus de réir a chéile tá an sreabhach dromchla teoranta do na trachanna. Le linn na céime vaporization, tá méadú breise ar an mbrú recoil ag gabháil leis an méadú breise ar theocht laitíse. Ag an bpointe seo, feidhmíonn brú recoil mar an mheicníocht ceannasach ag tiomáint an tsreabháin, ag baint úsáide as fórsa níos láidre chun an sreabhach a thiomáint ó dhromchla na n-umar síos go dtí an fo-dhromchla, agus ag an am céanna an sreabhán a dhíláithriú go cliathánach chuig na suaitheantais.
