Un equipo de investigación conjunto dirigido por el profesor Zhang Peilei de la Universidad de Ciencias de la Ingeniería de Shanghai, la Universidad de Lancaster y Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. publicó un artículo de investigación titulado "Electromagnetic-acoplamiento hidrodinámico y retroalimentación morfológica en la formación y evolución de LIPSS en metales bajo irradiación de pulsos múltiples-con láser de femtosegundo" en la revista internacional Applied Mathematical Modelling. El equipo estableció un modelo multifísico que combina la teoría electromagnética, la termofísica transitoria y la hidrodinámica, y utilizó una estrategia iterativa pulso-por-pulso para estudiar el proceso de evolución de las estructuras superficiales periódicas inducidas por láser-(LIPSS) en superficies de aleaciones de titanio. Combinando verificación experimental y simulación numérica, el equipo reveló el mecanismo físico de formación y evolución de nanoestructuras bajo el efecto sinérgico del flujo de Marangoni y la presión de retroceso bajo el mecanismo de retroalimentación morfológica.
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Introducción
Las estructuras superficiales periódicas-inducidas por láser (LIPSS) son un fenómeno físico que puede generar estructuras periódicas en las superficies de diversos materiales (metales, semiconductores, etc.) y se han estudiado ampliamente. Los LIPSS generalmente se clasifican en dos tipos: LIPSS con un período cercano a la longitud de onda del láser (LSFL) y LIPSS con un período mucho menor que la longitud de onda del láser (HSFL). Para el LSFL clásico, el mecanismo de formación es ampliamente aceptado como resultado de la interferencia entre el láser incidente y los polaritones del plasmón superficial (SPP) excitados en la superficie del material (teoría electromagnética). Aunque la teoría electromagnética explica el período y la dirección de LSFL, solo describe la deposición estática de energía inicial y no explica la evolución dinámica del material en un estado fundido-inducido por láser. El proceso de migración de la materia en estado fundido remodela la morfología de la superficie en una combinación periódica de picos y valles.
El procesamiento con láser de femtosegundo tiene ventajas únicas en el campo de la micro- y la nano-fabricación debido a su alta precisión de procesamiento y su pequeña zona afectada por el calor-. Su ancho de pulso ultracorto concentra la energía láser en la superficie del material en un tiempo extremadamente corto, generando una transición de fase de equilibrio no-térmico. La conductividad térmica de los electrones y la fuerza de acoplamiento de fonones-electrones dominan la transmisión y relajación de la energía electromagnética depositada dentro del material durante procesos ultrarrápidos. Estos factores son las razones fundamentales de las diferencias en la morfología de LIPSS observadas en diversos materiales. Sin embargo, la formación de LIPSS es un proceso acumulativo de múltiples-pulsos, en el que la morfología de la superficie generada por cada pulso actúa como condición límite inicial para el siguiente pulso. Además, la regularidad de LIPSS muestra una fuerte dependencia de las propiedades del material. Las simulaciones numéricas anteriores rara vez han considerado la influencia de la morfología de la superficie generada por pulsos anteriores en pulsos posteriores en entornos de múltiples-pulsos y múltiples-físicas. Los cambios en la morfología de la superficie del material en condiciones de múltiples-pulsos conducen a una falta de homogeneidad en el campo de temperatura, lo que a su vez afecta la redistribución del fluido fundido inducida por los gradientes de temperatura. Esto requiere un análisis cuantitativo y una discusión del proceso de evolución de LIPSS desde una perspectiva pulso-por-pulso.
Procesamiento con láser y haz de electrones
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Métodos de simulación
Para estudiar la evolución acumulativa de LIPSS bajo irradiación con láser de femtosegundo de múltiples-pulsos y el mecanismo de retroalimentación positiva relacionado, el flujo de trabajo de simulación descompone la interacción del láser-materia de un solo pulso en tres pasos acoplados: cálculo del campo electromagnético, evolución termodinámica y dinámica de fluidos, que luego se repiten en simulaciones iterativas. En este estudio, nos centramos en el proceso de evolución a partir de una superficie determinista. La simulación comienza con un plano ideal y liso, donde los fosos de ablación generados por los parámetros del láser y la respuesta del material se consideran la "rugosidad efectiva" para el posterior acoplamiento electromagnético. En este modelo, esta rugosidad efectiva está representada por ablación de superficie simulada, un método que elimina las incertidumbres asociadas con la rugosidad inicial aleatoria de la superficie, lo que nos permite estudiar cómo se forma LIPSS y se propaga en los bordes de ablación y dentro de la superficie.
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Comentarios sobre la morfología de la superficie
Bajo la irradiación con láser de femtosegundo de múltiples-pulsos, la formación de LIPSS no es una simple superposición de un único campo físico, sino un proceso de evolución dinámica en el que la influencia de la morfología de la superficie de los pulsos anteriores interactúa con la de los pulsos posteriores. La Figura 2 muestra la evolución de la morfología de la superficie del material y la correspondiente distribución espacial del campo eléctrico bajo múltiples pulsos. Para el pulso inicial (N=1), la distribución del campo eléctrico en la superficie lisa del material es lateralmente uniforme, exhibiendo principalmente un patrón de onda estacionaria formado por la interferencia de la luz incidente y reflejada. A medida que aumenta el número de pulsos (N=20, N=30), la superficie inicialmente lisa evoluciona hacia fosas de ablación poco profundas. La interfaz no-planar rompe la simetría del plano y proporciona el componente del vector de onda disperso en-el plano, lo que conduce a una excitación SPP débil en la interfaz metal-aire. A medida que el número de pulsos aumenta aún más (N=40, N=50), los surcos periódicos que aparecen actúan como rejillas de difracción más efectivas, lo que resulta en un acoplamiento SPP más fuerte. Como se muestra en la vista ampliada en N=50, la interferencia entre el SPP y la luz incidente posterior genera puntos de acceso electromagnéticos locales espaciales dentro de las ranuras, donde la intensidad del campo eléctrico es significativamente mayor que la intensidad del campo incidente.
La Figura 3 ilustra la evolución de la morfología de la superficie del material y la correspondiente distribución de temperatura máxima de la red bajo diferentes números de pulsos (N=1-50). En la etapa inicial (N=1-10), se forman fosas de ablación en la superficie plana. En este momento, la temperatura de la superficie se distribuye suavemente lateralmente y la distribución de temperatura correspondiente muestra un pico bajo y amplio, lo que refleja la distribución gaussiana de la energía del láser. A medida que aumenta el número de pulsos (N=20-50), aparece gradualmente una distribución de temperatura periódica de alto contraste, consistente con la aparición de estructuras superficiales periódicas. La temperatura reticular más alta se concentra en los valles de estas estructuras periódicas, mientras que la temperatura en los picos permanece relativamente baja. El gráfico de distribución de temperatura muestra que a medida que aumenta el número de pulsos, la amplitud de esta modulación de temperatura se vuelve más pronunciada y la temperatura máxima aumenta gradualmente. Combinando esto con la evolución de la distribución del campo eléctrico que se muestra en la Figura 2, la distribución de la temperatura de la red bajo múltiples pulsos puede explicarse mediante un mecanismo de retroalimentación térmica electromagnética. Los puntos calientes electromagnéticos ubicados en los valles forman fuentes de calor espacialmente no-uniformes, generando en última instancia un campo periódico de temperatura de red correspondiente a la morfología de la superficie.
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Flujo de fluido durante la etapa de fusión
La energía del pulso láser de femtosegundo se transfiere a la red mediante el acoplamiento de electrones-fonones. Una vez que la temperatura de la red alcanza el punto de fusión, se forma una capa fundida transitoria en la superficie del material. La evolución posterior de LIPSS en una escala de tiempo de picosegundos está controlada no sólo por la ablación estática sino también por el transporte hidrodinámico dentro de esta capa fundida. En este modelo, la periodicidad está predefinida por la deposición de energía electromagnética, mientras que la tensión de Marangoni y la presión de retroceso impulsan principalmente la redistribución y eliminación del material fundido. Las Figuras 4, 5 y 6 muestran las tendencias del flujo de fluido durante la etapa de fusión de un proceso de múltiples-pulsos (N=20-40) a medida que la estructura periódica evoluciona de poco profunda a profunda. En esta etapa, la temperatura de la red ha excedido el punto de fusión pero aún no ha alcanzado la temperatura de vaporización. En estas tres figuras, a1 y a2 representan los picos de la estructura periódica, mientras que a3 y a4 representan los valles. Como se muestra en la Figura 4, en las primeras etapas de la formación de la estructura periódica (N=20), se establece un campo de temperatura periódico en la superficie y comienza a aparecer una estructura ondulada. En las regiones de los valles con las temperaturas más altas (Fig. 4(c)), impulsado por el gradiente de tensión superficial, el efecto Marangoni hace que el fluido superficial fundido fluya a alta velocidad desde el centro del valle hacia los picos adyacentes. Por el contrario, en las regiones de las crestas con las temperaturas más bajas (Fig. 4(b)), se observa que el fluido de los valles adyacentes converge y se acumula hacia arriba. Una comparación de estas regiones revela un flujo divergente de alta-velocidad en los valles y un flujo convergente de baja-velocidad en las crestas. Como se muestra en los campos de flujo de las Fig. 4(b) y (c), el flujo de fluido superficial hacia las crestas provoca un reflujo más profundo dentro del charco fundido, regresando desde debajo del pico hacia el valle. Esta combinación de flujo superficial hacia afuera y flujo inferior hacia adentro se autoorganiza en un par de vórtices típicos de Marangoni dentro de cada cresta y valle de la estructura periódica. Al comparar las figuras, se puede ver en las Figuras . 4, 5 y 6 que a medida que los valles se profundizan, el fluido de la superficie se confina gradualmente dentro de ellos (Figuras . 4 (c), 5 (c) y 6 (c)). Los valles más profundos corresponden a campos eléctricos locales más fuertes, suprimiendo así la difusión térmica lateral desde el valle hacia los picos adyacentes. Esto da como resultado que se mantenga un gradiente de temperatura más pronunciado dentro de los valles. Por lo tanto, dado que las fuerzas que impulsan el movimiento de los fluidos dependen de la temperatura, estas fuerzas quedan cada vez más confinadas dentro de los valles. Desde la perspectiva de aumentar el número de pulsos, esto significa que la energía de los pulsos posteriores se utiliza para profundizar los surcos existentes, en lugar de eliminar los picos ya formados o construir nuevas estructuras. En consecuencia, la diferencia de altura entre picos y valles aumenta continuamente, lo que lleva a una profundización gradual de la estructura periódica.
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Verificación de simulación
Para ilustrar el proceso de formación de estructuras superficiales periódicas impulsadas por el efecto sinérgico de los efectos electromagnéticos y el flujo de fluido bajo irradiación de múltiples-pulsos, la evolución de la morfología de la superficie observada en el experimento de escaneo lineal se comparó con los resultados del modelo multifísico iterativo, como se muestra en la Figura 7. En la etapa inicial de acumulación de pulsos en el experimento, la superficie del material estaba cubierta principalmente por nanopartículas aleatorias generadas por ablación-redeposición y transporte de fluido fundido. En la simulación, utilizamos el punto de partida físico equivalente de la evolución de LIPSS, es decir, fosas de ablación inducidas por láser-. Tanto las nanopartículas aleatorias como los pozos de ablación pueden servir como límites de dispersión para pulsos posteriores, excitando así el SPP. Los pulsos posteriores establecen un campo de temperatura periódico en esta superficie no-plana a través de la interferencia SPP, lo que impulsa la redistribución del material fundido a lo largo de este período. Luego, la fuerza de Marangoni y la presión de retroceso comienzan a impulsar la redistribución del fluido fundido, promoviendo así la formación de LIPSS.
Para validar mejor los resultados de la simulación, se comparó el LIPSS bajo iluminación láser de femtosegundo de un solo punto con los resultados de la simulación numérica. Como se muestra en la Figura 8, los dos exhiben un alto grado de consistencia en la periodicidad espacial. Para cuantificar este período, se extrajeron los contornos locales en escala de grises de la imagen SEM a lo largo de la dirección perpendicular al LIPSS, arrojando un período promedio de aproximadamente 980 nm para la estructura experimental. La Figura 8(b) muestra el contorno de la sección transversal- simulada en la misma escala espacial. Al mapear el contorno de la superficie simulada en la imagen SEM en las mismas coordenadas y escala, se observó que las posiciones espaciales de los picos y valles simulados corresponden estrechamente a las franjas brillantes y oscuras en la imagen SEM. El período simulado es de aproximadamente 960 nm, lo que concuerda perfectamente con los resultados experimentales medidos con el método de contorno.
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Conclusión
Este estudio construyó un modelo multifísico basado en la teoría electromagnética, la teoría de la dinámica de fluidos y las propiedades termofísicas de los materiales mediante simulación numérica. Explicó de principio a fin la formación de estructuras periódicas en superficies metálicas impulsadas por el efecto sinérgico de los efectos electromagnéticos y las inestabilidades del flujo de fluido bajo un tratamiento con láser de femtosegundo de pulsos múltiples. A través de sucesivas iteraciones de pulsos de simulación en la superficie del material y el análisis comparativo de los resultados de la simulación con los resultados experimentales, concluimos que la formación de LIPSS es el resultado del efecto sinérgico de la dinámica electromagnética y de fluidos.
La interacción entre el láser de femtosegundo incidente y la superficie del material, en presencia de rugosidad superficial, excita los SPP que interfieren con la luz incidente. Este proceso genera una deposición de energía espacialmente periódica y no-uniforme en la superficie del material. Confirmamos que esta rugosidad superficial necesaria puede ser picaduras de ablación causadas por el propio láser, que pueden servir como condiciones límite para excitar los SPP. La morfología de la superficie formada por pulsos anteriores actúa como una rejilla de difracción para pulsos posteriores, mejorando la eficiencia del acoplamiento SPP. Una vez que el material absorbe esta energía periódica, se transforma rápidamente en un campo de gradiente de temperatura de red correspondiente, formando una capa fundida transitoria en la superficie. Esta capa fundida extremadamente delgada, influenciada por el gradiente periódico de temperatura, es físicamente muy inestable, lo que activa el transporte de fluidos que controla la migración del material. Durante la etapa de fusión, la fuerza de Marangoni, impulsada por la tensión superficial, migra el fluido fundido desde los valles de alta-temperatura a las crestas de baja-temperatura, formando un flujo divergente de alta-velocidad en los valles y un flujo convergente de baja-velocidad en las crestas. A medida que aumenta el número de pulsos, las depresiones se profundizan gradualmente y el fluido de la superficie se confina gradualmente a las depresiones. Durante la etapa de vaporización, el aumento adicional de la temperatura de la red va acompañado de un aumento adicional de la presión de retroceso. En este punto, la presión de retroceso actúa como el mecanismo dominante que impulsa el fluido, utilizando una fuerza más fuerte para impulsar el fluido desde la superficie de los canales hacia el subsuelo, al mismo tiempo que desplaza lateralmente el fluido hacia las crestas.
