Отслеживание и понимание событий лазерного повреждения в оптике — Часть 08

2.2 Теоретическая инверсия познания характеристик предшественников через морфологию повреждений

Типичная морфология повреждений многослойных диэлектрических пленок пикосекундным импульсом в основной полосе частот — высокая плотность и мелкомасштабность. Чтобы понять процесс разрушения, мы разработали многослойную диэлектрическую пленочную систему с высокой основной частотой и высоким коэффициентом отражения и использовали   1064 нм   Лазер мощностью 30 пс для проведения эксперимента по разрушению. На рис. 9 показана типичная морфология повреждения. Путем анализа поперечного сечения первоначального места повреждения было обнаружено, что повреждение произошло на границе раздела между вторым слоем (HfO ₂) и третьим слоем (SiO ₂). Процесс повреждения проявляется в виде локального теплового взрыва от прекурсора с образованием полости, а внешняя температура ведет к термическому плавлению, а затем за счет направленного вверх механического напряжения формируется окончательная ямка повреждения микронного масштаба. На рис. 9(с) представлены граничные условия для термодинамического разрушения. Положение края каверны можно считать температурной границей теплового взрыва, а температуру внешнего круга до края плавления - температурой плавления. Таким образом, процесс динамического разрушения прекурсора в многослойной диэлектрической пленке можно обратить вспять посредством термодинамического моделирования процесса повреждения.

На рис. 10 показано распределение температуры слоя пленки в различные временные интервалы с при облучении  одноимпульсным лазером с длительностью 30 пс. Видно, что за первые 10 пс импульсного облучения температура в центре прекурсора достигла почти 3000 К, но в это время только начался процесс теплового взрыва, и рост температуры пока ограничивается окрестностями предшественника. При подаче импульса в течение  10–25 пс температура материала вблизи прекурсора быстро повышается, и область повышения температуры начинает расширяться наружу. На последнем этапе действия импульса, т. е. 25-30 пс, повышение температуры в центре имеет тенденцию к плавному, несколько превышающему 1·10 4   ^К, и в это время область повышения температуры быстро расширяется наружу, а диаметр области, где температура достигает примерно 2800 К, увеличивается примерно до 400 нм, что соответствует размеру поврежденной полости, как показано на рисунке 11(а). Диаметр области с температурой , достигающей около 1900 К, расширяется примерно до 550 нм в диаметре, что совпадает с диаметром расплавленной области повреждения, как показано на рис. 11(б).

Чтобы лучше проиллюстрировать изменения температуры в разных местах точки повреждения, можно выделить изменения температуры во времени в нескольких ключевых областях точки повреждения, как показано на рисунке 12. Температура точки А вблизи предшественника быстро повышается при действием лазера, и температура экспоненциально растет со временем и достигает критической температуры 2200 К при облучении импульса в течение  7 пс, поэтому на ранней стадии импульса происходит тепловой взрыв. После теплового взрыва область поглощения материала быстро расширяется наружу. Из изменений повышения температуры в положениях B и C материала матрицы видно, что требуется всего несколько пикосекунд   для того, чтобы температура материала матрицы поднялась от комнатной температуры до температуры выше   2000 К. По окончании импульсного облучения  зона поглощения распространяется точно на площадь, соответствующую точке С, что соответствует границе термического разрушения в месте повреждения.

Благодаря детальной характеристике морфологии повреждения и инверсионному численному моделированию термодинамического процесса мы можем получить некоторые основные характеристики наноразмерного предшественника, но его источник и механизм образования до сих пор неясны. Прямая характеристика наноразмерных прекурсоров и изучение динамики процесса разрушения станет ключевым знанием  , чтобы преодолеть узкое место этого типа лазерного разрушения в будущем.