Une équipe de recherche conjointe dirigée par le professeur Zhang Peilei de l'Université des sciences de l'ingénieur de Shanghai, de l'Université de Lancaster et d'Amplitude Suzhou Laser Co., Ltd. a publié un article de recherche intitulé "Couplage hydrodynamique électromagnétique- et retour morphologique dans la formation et l'évolution du LIPSS sur les métaux sous irradiation multi-impulsions par laser femtoseconde" dans la revue internationale Applied Mathematical Modelling. L'équipe a établi un modèle multiphysique couplant la théorie électromagnétique, la thermophysique transitoire et l'hydrodynamique, et a utilisé une stratégie itérative impulsion-par-impulsion pour étudier le processus d'évolution des structures de surface périodiques induites par laser-(LIPSS) sur les surfaces en alliage de titane. En combinant vérification expérimentale et simulation numérique, l'équipe a révélé le mécanisme physique de formation et d'évolution des nanostructures sous l'effet synergique du flux de Marangoni et de la pression de recul sous le mécanisme de rétroaction morphologique.
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Introduction
Les structures de surface périodiques induites par laser (LIPSS) sont un phénomène physique qui peut générer des structures périodiques sur les surfaces de divers matériaux (métaux, semi-conducteurs, etc.) et qui ont été largement étudiées. Les LIPSS sont généralement classés en deux types : les LIPSS avec une période proche de la longueur d'onde du laser (LSFL) et les LIPSS avec une période bien inférieure à la longueur d'onde du laser (HSFL). Pour le LSFL classique, le mécanisme de formation est largement accepté comme le résultat d'une interférence entre le laser incident et les polaritons de plasmon de surface (SPP) excités à la surface du matériau (théorie électromagnétique). Bien que la théorie électromagnétique explique la période et la direction du LSFL, elle décrit uniquement le dépôt d'énergie initial statique et n'explique pas l'évolution dynamique du matériau dans un état fondu induit par le laser-. Le processus de migration de la matière à l’état fondu remodèle la morphologie de la surface en une combinaison périodique de pics et de creux.
Le traitement laser femtoseconde présente des avantages uniques dans le domaine de la micro- et nano-fabrication en raison de sa haute précision de traitement et de sa petite zone affectée thermiquement-. Sa largeur d'impulsion ultracourte concentre l'énergie laser sur la surface du matériau en un temps extrêmement court, générant une transition de phase non-d'équilibre thermique. La conductivité thermique électronique et la force de couplage électron-phonon dominent la transmission et la relaxation de l'énergie électromagnétique déposée dans le matériau au cours de processus ultrarapides. Ces facteurs sont les raisons fondamentales des différences de morphologie LIPSS observées sur différents matériaux. Cependant, la formation de LIPSS est un processus cumulatif à plusieurs impulsions, la morphologie de surface générée par chaque impulsion agissant comme condition aux limites initiale pour l'impulsion suivante. De plus, la régularité du LIPSS dépend fortement des propriétés des matériaux. Les simulations numériques précédentes ont rarement pris en compte l'influence de la morphologie de surface générée par les impulsions précédentes sur les impulsions suivantes dans des environnements physiques multi-impulsions et multi-. Les changements dans la morphologie de la surface des matériaux dans des conditions d'impulsions multiples conduisent à une inhomogénéité du champ de température, qui à son tour affecte la redistribution du fluide fondu induite par les gradients de température. Cela nécessite une analyse quantitative et une discussion du processus d'évolution du LIPSS du point de vue impulsion-par-impulsion.
Traitement par faisceau laser et électronique
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Méthodes de simulation
Pour étudier l'évolution cumulative du LIPSS sous irradiation laser femtoseconde multi-impulsions et le mécanisme de rétroaction positive associé, le flux de travail de simulation décompose l'interaction laser-matière d'une seule impulsion en trois étapes couplées : calcul du champ électromagnétique, évolution thermodynamique et dynamique des fluides, qui sont ensuite répétées dans des simulations itératives. Dans cette étude, nous nous concentrons sur le processus d'évolution à partir d'une surface déterministe. La simulation commence avec un plan idéal et lisse, où les creux d'ablation générés par les paramètres laser et la réponse du matériau sont considérés comme la « rugosité effective » pour le couplage électromagnétique ultérieur. Dans ce modèle, cette rugosité effective est représentée par une ablation de surface simulée, une méthode qui élimine les incertitudes associées à la rugosité initiale aléatoire de la surface, nous permettant d'étudier comment le LIPSS se forme et se propage aux bords de l'ablation et à l'intérieur de la surface.
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Morphologie de surface
Sous irradiation laser femtoseconde à impulsions multiples, la formation de LIPSS n'est pas une simple superposition d'un seul champ physique, mais un processus d'évolution dynamique dans lequel l'influence de la morphologie de surface des impulsions précédentes interagit avec celle des impulsions suivantes. La figure 2 montre l'évolution de la morphologie de la surface du matériau et la distribution spatiale correspondante du champ électrique sous plusieurs impulsions. Pour l'impulsion initiale (N=1), la distribution du champ électrique sur la surface du matériau lisse est latéralement uniforme, présentant principalement un motif d'ondes stationnaires formé par l'interférence de la lumière incidente et réfléchie. À mesure que le nombre d'impulsions augmente (N=20, N=30), la surface initialement lisse évolue vers des fosses d'ablation peu profondes. L'interface non -planaire brise la symétrie du plan et fournit la composante vectorielle d'onde dispersée dans le plan-, ce qui conduit à une faible excitation SPP au niveau de l'interface métal-air. À mesure que le nombre d'impulsions augmente encore (N=40, N=50), les sillons périodiques qui apparaissent agissent comme des réseaux de diffraction plus efficaces, ce qui entraîne un couplage SPP plus fort. Comme le montre la vue agrandie en N=50, l'interférence entre le SPP et la lumière incidente ultérieure génère des points chauds électromagnétiques spatiaux locaux dans les rainures, où l'intensité du champ électrique est nettement supérieure à l'intensité du champ incident.
La figure 3 illustre l'évolution de la morphologie de la surface du matériau et la distribution correspondante de la température maximale du réseau sous différents nombres d'impulsions (N=1-50). Au stade initial (N=1-10), des fosses d'ablation se forment sur la surface plane. À ce moment, la température de surface est répartie latéralement en douceur et la distribution de température correspondante présente un pic faible et large, reflétant la distribution gaussienne de l'énergie laser. À mesure que le nombre d'impulsions augmente (N=20-50), une distribution périodique de température - à contraste élevé apparaît progressivement, ce qui est cohérent avec l'émergence de structures de surface périodiques. La température de réseau la plus élevée est concentrée dans les vallées de ces structures périodiques, tandis que la température aux sommets reste relativement basse. Le graphique de distribution de température montre qu'à mesure que le nombre d'impulsions augmente, l'amplitude de cette modulation de température devient plus prononcée et la température maximale augmente progressivement. En combinant cela avec l'évolution de la distribution du champ électrique illustrée à la figure 2, la distribution de la température du réseau sous plusieurs impulsions peut être expliquée par un mécanisme de rétroaction thermique électromagnétique. Les points chauds électromagnétiques situés dans les vallées forment des sources de chaleur spatialement non uniformes, générant finalement un champ de température de réseau périodique correspondant à la morphologie de la surface.
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Flux de fluide pendant la phase de fusion
L'énergie de l'impulsion laser femtoseconde est transférée au réseau via un couplage électron-phonon. Une fois que la température du réseau atteint le point de fusion, une couche fondue transitoire se forme à la surface du matériau. L'évolution ultérieure du LIPSS à l'échelle de la picoseconde est contrôlée non seulement par l'ablation statique mais également par le transport hydrodynamique au sein de cette couche fondue. Dans ce modèle, la périodicité est prédéfinie par le dépôt d'énergie électromagnétique, tandis que la contrainte de Marangoni et la pression de recul déterminent principalement la redistribution et l'élimination du matériau en fusion. Les figures 4, 5 et 6 montrent les tendances d'écoulement de fluide pendant l'étape de fusion d'un processus multi-impulsions (N=20-40) à mesure que la structure périodique évolue de peu profonde à profonde. A ce stade, la température du réseau a dépassé le point de fusion mais n’a pas encore atteint la température de vaporisation. Sur ces trois figures, a1 et a2 représentent les sommets de la structure périodique, tandis que a3 et a4 représentent les creux. Comme le montre la figure 4, dans les premiers stades de la formation de la structure périodique (N=20), un champ de température périodique s'est établi à la surface et une structure ondulée commence à apparaître. Dans les régions de vallée avec les températures les plus élevées (Fig. 4(c)), entraîné par le gradient de tension superficielle, l'effet Marangoni fait circuler le fluide de surface fondu à grande vitesse du centre de la vallée vers les sommets adjacents. À l'inverse, dans les régions de crête où les températures sont les plus basses (Fig. 4(b)), on observe que le fluide des vallées adjacentes converge et s'accumule vers le haut. Une comparaison de ces régions révèle un écoulement divergent à grande vitesse dans les creux et un écoulement convergent à faible vitesse dans les crêtes. Comme le montrent les champs d'écoulement des figures . 4(b) et (c), l'écoulement du fluide de surface vers les crêtes provoque un reflux plus profond dans le bassin de fusion, revenant du dessous du pic vers la vallée. Cette combinaison d'écoulement de surface vers l'extérieur et d'écoulement de fond vers l'intérieur s'auto-organise en une paire de vortex typiques de Marangoni au sein de chaque crête et creux de la structure périodique. En comparant les figures, on peut voir sur les figures . 4, 5 et 6 qu'à mesure que les vallées s'approfondissent, le fluide de surface y est progressivement confiné (figures . 4 (c), 5 (c) et 6 (c)). Les vallées plus profondes correspondent à des champs électriques locaux plus forts, supprimant ainsi la diffusion thermique latérale de la vallée vers les sommets adjacents. Cela entraîne le maintien d’un gradient de température plus prononcé dans les vallées. Par conséquent, puisque les forces qui entraînent le mouvement des fluides dépendent de la température, ces forces sont de plus en plus confinées dans les vallées. Du point de vue de l’augmentation du nombre d’impulsions, cela signifie que l’énergie des impulsions suivantes est utilisée pour approfondir les sillons existants, plutôt que d’ablation des pics déjà formés ou de construire de nouvelles structures. Par conséquent, la différence de hauteur entre les sommets et les vallées augmente continuellement, conduisant à un approfondissement progressif de la structure périodique.
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Vérification par simulation
Pour illustrer le processus de formation de structures de surface périodiques entraîné par l'effet synergique des effets électromagnétiques et de l'écoulement de fluide sous irradiation multi-impulsions, l'évolution de la morphologie de surface observée dans l'expérience de balayage linéaire a été comparée aux résultats du modèle multiphysique itératif, comme le montre la figure 7. Dans la phase initiale d'accumulation d'impulsions dans l'expérience, la surface du matériau était principalement recouverte de nanoparticules aléatoires générées par ablation-redépôt et transport de fluide fondu. Dans la simulation, nous avons utilisé le point de départ physique équivalent de l'évolution du LIPSS, à savoir les puits d'ablation induits par laser-. Les nanoparticules aléatoires et les puits d'ablation peuvent servir de limites de diffusion pour les impulsions ultérieures, excitant ainsi le SPP. Les impulsions ultérieures établissent un champ de température périodique sur cette surface non -planaire grâce à l'interférence SPP, entraînant la redistribution du matériau fondu tout au long de cette période. Ensuite, la force de Marangoni et la pression de recul commencent à entraîner la redistribution du fluide fondu, favorisant ainsi la formation de LIPSS.
Pour mieux valider les résultats de la simulation, le LIPSS sous éclairage laser femtoseconde à un seul point a été comparé aux résultats de la simulation numérique. Comme le montre la figure 8, les deux présentent un degré élevé de cohérence dans la périodicité spatiale. Pour quantifier cette période, les contours locaux en niveaux de gris de l'image SEM ont été extraits dans la direction perpendiculaire au LIPSS, donnant une période moyenne d'environ 980 nm pour la structure expérimentale. La figure 8 (b) montre le contour en coupe transversale simulé à la même échelle spatiale. En cartographiant le contour de la surface simulé sur l'image SEM aux mêmes coordonnées et à la même échelle, il a été observé que les positions spatiales des pics et des vallées simulés correspondent étroitement aux bandes claires et sombres de l'image SEM. La période simulée est d'environ 960 nm, ce qui est en excellent accord avec les résultats expérimentaux mesurés à l'aide de la méthode des contours.
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Conclusion
Cette étude a construit un modèle multiphysique basé sur la théorie électromagnétique, la théorie de la dynamique des fluides et les propriétés thermophysiques des matériaux grâce à la simulation numérique. Il a expliqué du début à la fin la formation de structures périodiques sur les surfaces métalliques entraînées par l'effet synergique des effets électromagnétiques et des instabilités d'écoulement des fluides sous traitement laser femtoseconde multi-impulsions. Grâce à des itérations successives d'impulsions de simulation sur la surface du matériau et à une analyse comparative des résultats de simulation avec les résultats expérimentaux, nous concluons que la formation de LIPSS est le résultat de l'effet synergique de la dynamique électromagnétique et des fluides.
L'interaction entre le laser femtoseconde incident et la surface du matériau, en présence de rugosité de surface, excite des SPP qui interfèrent avec la lumière incidente. Ce processus génère un dépôt d'énergie spatialement périodique et non-uniforme sur la surface du matériau. Nous avons confirmé que cette rugosité de surface nécessaire peut être constituée de piqûres d'ablation provoquées par le laser lui-même, qui peuvent servir de conditions limites pour exciter les SPP. La morphologie de surface formée par les impulsions précédentes agit comme un réseau de diffraction pour les impulsions suivantes, améliorant ainsi l'efficacité du couplage SPP. Une fois que cette énergie périodique est absorbée par le matériau, elle se transforme rapidement en un champ de gradient de température de réseau correspondant, formant une couche fondue transitoire à la surface. Cette couche fondue extrêmement fine, influencée par le gradient de température périodique, est physiquement très instable, activant ainsi le transport de fluide qui contrôle la migration des matériaux. Pendant la phase de fusion, la force de Marangoni, entraînée par la tension superficielle, fait migrer le fluide fondu des creux à haute température vers les crêtes à basse température, formant un écoulement divergent à grande vitesse dans les creux et un écoulement convergent à faible vitesse dans les crêtes. À mesure que le nombre d’impulsions augmente, les creux s’approfondissent progressivement et le fluide de surface se confine progressivement aux creux. Pendant la phase de vaporisation, la nouvelle augmentation de la température du réseau s’accompagne d’une nouvelle augmentation de la pression de recul. À ce stade, la pression de recul agit comme le mécanisme dominant entraînant le fluide, utilisant une force plus forte pour chasser le fluide de la surface des creux vers le sous-sol, tout en déplaçant latéralement le fluide vers les crêtes.
