Suivi et compréhension des événements de dommages laser dans l'optique - Partie 08

2.2 Cognition d'inversion théorique des caractéristiques des précurseurs par la morphologie des dommages

La morphologie typique des dommages des films diélectriques multicouches avec une impulsion picoseconde dans la bande de fréquence fondamentale est à haute densité et à petite échelle. Afin de comprendre le processus de destruction, nous avons conçu un système de film diélectrique multicouche avec une fréquence fondamentale élevée et une réflexion élevée, et utilisé un 1064 nm   Laser 30 ps pour mener une expérience de destruction. La figure 9 montre une morphologie typique des dommages. Grâce à une analyse transversale de l'emplacement initial des dommages, il a été constaté que les dommages se sont produits à l'interface entre la deuxième couche (HfO ₂) et la troisième couche (SiO ₂). Le processus d'endommagement se manifeste par une explosion thermique locale du précurseur pour former une cavité, et la température externe conduit à provoquer une fusion thermique, puis la fosse d'endommagement finale à l'échelle du micron est formée par une tension mécanique ascendante. La figure 9(c) présente les conditions aux limites pour une défaillance thermodynamique. La position du bord de la cavité peut être considérée comme la limite de température d'explosion thermique, et la température du cercle extérieur au bord de fusion est le point de fusion. De cette manière, le processus d'endommagement dynamique du précurseur dans le film diélectrique multicouche peut être inversé grâce à la simulation thermodynamique du processus d'endommagement.

La figure 10 montre la distribution de température de la couche de film à différentes tranches de temps sous l' irradiation  du laser à impulsion unique de 30 ps. On peut voir que dans les 10 premières ps d'irradiation pulsée, la température au centre du précurseur a atteint près de 3000 K, mais à ce moment le processus d'explosion thermique vient de commencer, et la montée en température est encore limitée au voisinage du précurseur. Lorsque l'impulsion est appliquée pendant  10 - 25 ps, la température du matériau à proximité du précurseur augmente rapidement et la zone d'élévation de température commence à s'étendre vers l'extérieur. Dans la dernière étape de l'action d'impulsion, c'est-à-dire 25-30 ps, ​​l'augmentation de température au centre a tendance à être douce, légèrement supérieure à 1×10 4  K, ^età ce moment la zone d'augmentation de température rapidement se dilate vers l'extérieur, et le diamètre de la zone où la température atteint environ 2800 K se dilate jusqu'à environ 400 nm, ce qui correspond à la taille de la zone de cavité endommagée, comme le montre la figure 11(a). Le diamètre de la région avec une température atteignant environ 1900 K s'étend jusqu'à environ 550 nm de diamètre, ce qui coïncide avec le diamètre de la région fondue de l'endommagement, comme le montre la figure 11 (b).

Afin de mieux illustrer les changements de température à différents endroits du point de dommage, les changements de température au fil du temps dans plusieurs zones clés du point de dommage peuvent être extraits, comme le montre la figure 12. La température du point A près du précurseur augmente rapidement sous l'action du laser, et la température augmente de façon exponentielle avec le temps, et atteint la température critique de 2200 K lorsque l'impulsion est irradiée pendant  7 ps, donc une explosion thermique se produit au début de l'impulsion. Après l'explosion thermique, la région d'absorption du matériau se dilate rapidement vers l'extérieur. D'après les changements d'élévation de température aux positions de B et C du matériau de la matrice , on peut voir qu'il ne faut que quelques picosecondes   pour que le matériau de la matrice passe de la température ambiante à plus de   2000 K. A la fin de l' irradiation pulsée  , la zone d'absorption s'étend exactement jusqu'à la zone correspondant au point C, qui correspond à la limite de la destruction thermique au point d'endommagement.

Grâce à la caractérisation détaillée de la morphologie des dommages et à la simulation numérique d'inversion du processus thermodynamique, nous pouvons obtenir certaines caractéristiques de base du précurseur à l'échelle nanométrique, mais sa source et son mécanisme de formation ne sont toujours pas clairs. La caractérisation directe des précurseurs à l'échelle nanométrique et l'étude de la dynamique de destruction seront les connaissances clés  pour briser le goulot d'étranglement de ce type de destruction laser à l'avenir.