Seguimiento y comprensión de eventos de daños por láser en la óptica - Parte 08

2.2 Conocimiento de inversión teórica de las características del precursor a través de la morfología del daño

La morfología de daño típica de las películas dieléctricas multicapa con pulsos de picosegundos en la banda de frecuencia fundamental es de alta densidad y pequeña escala. Para comprender el proceso de destrucción, diseñamos un sistema de película dieléctrica multicapa con alta frecuencia fundamental y alta reflexión, y utilizamos un 1064 nm   Láser de 30 ps para realizar un experimento de destrucción. La Figura 9 muestra una morfología de daño típica. A través del análisis transversal de la ubicación inicial del daño, se encontró que el daño ocurrió en la interfaz entre la segunda capa (HfO ₂) y la tercera capa (SiO ₂). El proceso de daño se manifiesta como una explosión térmica local del precursor para formar una cavidad, y la temperatura externa conduce a causar la fusión térmica, y luego se forma el hoyo de daño final a escala micrométrica por tensión mecánica ascendente. La figura 9(c) presenta las condiciones de contorno para la falla termodinámica. La posición del borde de la cavidad se puede considerar como el límite de temperatura de explosión térmica, y la temperatura del círculo exterior al borde de fusión es el punto de fusión. De esta forma, el proceso de daño dinámico del precursor en la película dieléctrica multicapa puede revertirse mediante la simulación termodinámica del proceso de daño.

La figura 10 muestra la distribución de temperatura de la capa de película en diferentes intervalos de tiempo bajo la irradiación  de un láser de pulso único de 30 ps. Se puede ver que en los primeros 10 ps de irradiación de pulso, la temperatura en el centro del precursor ha alcanzado casi 3000 K, pero en este momento el proceso de explosión térmica acaba de comenzar y el aumento de temperatura aún se limita a la vecindad. del precursor. Cuando se aplica el pulso durante  10 - 25 ps, la temperatura del material cerca del precursor aumenta rápidamente y el área de aumento de temperatura comienza a expandirse hacia afuera. En la última etapa de la acción del pulso, es decir, 25-30 ps, ​​el aumento de temperatura en el centro tiende a ser suave, ligeramente superior a 1×10 4  K, ^yen este momento la temperatura aumenta rápidamente. se expande hacia afuera, y el diámetro del área donde la temperatura alcanza alrededor de 2800 K se expande a alrededor de 400 nm, de acuerdo con el tamaño del área de la cavidad dañada, como se muestra en la Figura 11(a). El diámetro de la región con temperatura que alcanza alrededor de 1900 K se expande a alrededor de 550 nm de diámetro, que coincide con el diámetro de la región fundida del daño, como se muestra en la Fig. 11 (b).

Para ilustrar mejor los cambios de temperatura en diferentes ubicaciones del punto de daño, se pueden extraer los cambios de temperatura a lo largo del tiempo en varias áreas clave del punto de daño, como se muestra en la Figura 12. La temperatura del punto A cerca del precursor aumenta rápidamente bajo la acción del láser, y la temperatura aumenta exponencialmente con el tiempo, y alcanza la temperatura crítica de 2200 K cuando el pulso se irradia durante  7 ps, por lo que se produce una explosión térmica en la etapa inicial del pulso. Después de que ocurre la explosión térmica, la región de absorción del material se expande hacia afuera rápidamente. A partir de los cambios de aumento de temperatura en las posiciones de B y C del material de la matriz , se puede ver que solo se necesitan unos pocos segundos   para que el material de la matriz aumente de temperatura ambiente a más de   2000 K. Cuando finaliza la irradiación del pulso  , el área de absorción se extiende exactamente hasta el área correspondiente al punto C, que corresponde al límite de la destrucción térmica en el punto de daño.

A través de la caracterización detallada de la morfología del daño y la simulación numérica de inversión del proceso termodinámico, podemos obtener algunas características básicas del precursor a nanoescala, pero su fuente y mecanismo de formación aún no están claros. La caracterización directa de precursores a nanoescala y el estudio de la dinámica del proceso de destrucción serán los conocimientos clave  para romper el cuello de botella de este tipo de destrucción por láser en el futuro.