تغییر دینامیک الکترونی با شکل دهی پالسهای لیزر فمتوثانیه به منظور بهبود کیفیت میکروماشین کاری لیزرهای فوق سریع

تغییر دینامیک الکترونی با شکل دهی پالسهای لیزر فمتوثانیه به منظور بهبود کیفیت میکروماشین کاری لیزرهای فوق سریع  

دانشمندان مؤسسه فناوری پکن چین، دانشگاه مینه سوتا آمریکا و دانشگاه نبراسکا-لینکلن آمریکا تحقیقات خود را در زمینه بهبود کیفیت فرآیند میکروساخت فوق سریع با شکل دادن به پالس های لیزر فمتوثانیه، در مجله Light: Science & Applications ارائه کردند [1]. این محققین نشان داده‌ اند که این تکنیک دقت فرآیند ساخت، کیفیت، بازده، تکرارپذیری و کنترل مؤثر ساختارها در مقیاس میکرون/نانو را بهبود می دهد.
تکنیک ارائه شده تنها یک نظریه نیست، بلکه این گروه لیست گسترده ای از نمونه های آزمایش شده را ارائه کرده اند. این تکنیک همچنین برای ساخت ریزساختارها در یک پروژه چینی (یکی از 16 پروژه عمده ملی S&T چین) استفاده شده است. این نتایج اوج تلاش تحقیقاتی ده ساله آنها است.


 
شکل- دمای محاسبه شده فونون و الکترون لایه نازک طلا به ضخامت ۲۰۰ نانومتر که تحت تابش پالس های لیزر ۱۴۰ فمتوثانیه ای با چگالی انرژی ۰.۲ ژول بر سانتی متر مربع در طول موج ۱۰۵۳ نانومتر قرار گرفته شده اند. شکل سمت چپ مدل قدیمی و شکل سمت راست مدل جدید را نشان می دهد. مدل های جدید به پژوهشگران کمک می کند تا بهترین راه را در شکل دهی پالس های لیزری به منظور بهبود کیفیت میکروماشین کاری، بیابند.
کنترل دینامیک الکترون
از آنجا که برهمکنش لیزر فمتوثانیه با ماده از لحاظ زمانی بسیار کوتاه است، بیش از آنکه هر حرکت شبکه[1] که در مقیاس زمانی پیکوثانیه اتفاق می افتد تأثیرگذار باشد، ماده با برهمکنش های فوتون الکترون تحت تأثیر قرار می گیرد. بنابراین، شکل دادن به پالس ها به منظور تغییر دینامیک الکترون ها می تواند فرآیند ساخت را تغییر دهد. چالش انگیزترین بخش کار، تعیین شکل دهی پالسی مناسب موردنیاز برای یک فرآیند مشخص است.
برای شبیه سازی کنترل دینامیک الکترون[2] (EDC)، محققین چهار مدل نظری مختلف به کار برده اند که عبارتند از: محاسبات دینامیک الکترون، شبیه سازی دینامیک مولکولی برای تغییر فاز، مدل پلاسما برای فرآیندهای یونیزاسیون و مدل دو دمایی برای انتقال انرژی.
بر اساس این نتایج، محققین با پالس های فمتوثانیه که از لحاظ زمانی و فضایی شکل داده شده اند آزمایش های مختلفی انجام داده اند و پالس های فرعی با زمان تأخیر پالس کوتاهتر از مقیاس زمانی اتصال الکترون-شبکه ایجاد کرده اند. در این چینش، پالس های تقویت شده لیزر Ti:sapphire شرکت Spectra-Physics آمریکا، با استفاده از شکل دهنده پالس با آرایش 4f مربوط به شرکت Biophotonic Solutions آمریکا شکل داده شدند. سپس نمونه بر روی یک استیج با دقت ۱ میکرومتر ساخت شرکت PI آلمان نصب شد.
با استفاده از توسعه این فرآیندها، محققین در پروژه های خود نتایج حیرت انگیزی را بدست آوردند که از جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- افزایش راندمان فرآوری ساخت میکروکانال تا 56 برابر و حداکثر نسبت ابعاد میکروکانال تا 3 برابر.
- افزایش نرخ اچ[3] شیمیایی به کمک لیزر تا ۳۷ برابر.
- تنظیم سیکل ها، جهت ها و ساختار ناهمواری های سطح با تنظیم تولید الکترون روی صفحات مواد ساخته شده.
- ایجاد سطوح اسپکتروسکوپی رامان تقویت شده سطحی[4] (SERS) با فاکتور تقویت تا 1.1×109.
- ساخت نانوسیم های کمتر از طول موج (تقریباً یک چهاردهم طول موج لیزر) با هدایت الکتریکی بالا (تقریباً یک چهارم طلا) در هوای آزاد.
این گروه طی این تحقیقات تکنیک هایی را برای سنجش مبانی EDC گسترش داده‌اند که شامل تکنیک تصویربرداری پمپ-پروب گراف سایه ای[5]، عکسبرداری لحظه ای پلاسما[6]، طیف سنجی فروشکست القا شده بوسیله لیزر[7] (LIBS) و تصویربرداری سریع تجاری بوسیله CCD می شود.
از EDC همچنین در ساخت برخی ساختارهای مهم پیش نمونه مانند حفره‌های میکرونی با قطر 6/1 میکرومتر و نسبت ابعادی ۳۳۰:۱ استفاده شده است.
References
[1] Lan Jiang et al., Light: Science & Applications,(2018);doi:10.1038/lsa.2017.134.
Source:https://www.laserfocusworld.com/articles/2018/04/shaped-femtosecond-laser-pulses-alter-electron-dynamics-to-improve-ultrafast-laser-micromachining-quality.html
 

[1] Lattice Motion
[2] Electron Dynamics Control
[3] Etching
[4] Surface-Enhanced Raman Spectroscopy
[5] Pump-Probe Shadow-Graph
[6] Time-Resolved Plasma Photography
[7] Laser-Induced Breakdown Spectroscopy
 
منبع : www.laserfocusworld.com      1397/11/4 12:02