فرسایش لیزر پالسی فوق کوتاه در مایعات: بررسی اولین نانوثانیه های انفجار فاز زیر آب

خلاصه

میکروسکوپ پمپ-کاوشگر فوق سریع نور جدیدی را بر دینامیک پیچیده تبدیل فاز انفجاری ناشی از لیزر روشن کرده است و اهمیت ادغام نزدیک تلاش‌های تجربی، محاسباتی و نظری را برجسته کرده است.

فرسایش لیزر پالس اولتراکوتاه در مایعات یک پدیده با اهمیت عملی بالا است، با کاربردهای مختلف از نانوساختار سطح1 تا سنتز نانوذرات کلوئیدی تمیز شیمیایی با تقاضای بالا در زمینه‌های زیست پزشکی و کاتالیز. با این حال، علیرغم ارتباط عملی، درک اساسی از فرسایش لیزر در مایعات هنوز کامل نشده است. پیشرفت نسبتاً آهسته در این زمینه تا حد زیادی به ماهیت بسیار غیرتعادلی و ذاتاً چند مقیاسی فرآیندهای مسئول حذف مواد از هدف تابش‌شده و تبدیل آن به محلول کلوئیدی نانوذرات مربوط می‌شود. فرسایش لیزری در هوا یا خلاء در حال حاضر یک پدیده پیچیده است که شامل تحریک الکترونیکی قوی، توزیع مجدد انرژی در حالت برانگیخته الکترونیکی، تعادل الکترون-فونون، گرمایش و ذوب سریع، تغییر شکل مکانیکی فوق سریع و پوسته پوسته شدن فوتومکانیکی، گرمایش فوق العاده مواد مذاب است. و تجزیه انفجاری آن ("انفجار فاز") به قطرات بخار و مایع 4. وجود یک محیط مایع به طور قابل توجهی به پیچیدگی پدیده فرسایش می‌افزاید، زیرا محصولات داغ تجزیه فاز انفجاری به صورت دینامیکی با مایع تعامل می‌کنند و باعث تشکیل و گسترش حباب کاویتاسیون می‌شوند.

تصویربرداری از حباب‌های کاویتاسیون، که معمولاً با سایه نگاری با زمان تفکیک شده ۵،۶، همراه با پراکندگی لیزری ۷، یا کاوشگر اشعه ایکس ۸،۹ از فضای داخلی حباب‌های کاویتاسیون انجام می‌شود، اطلاعات ارزشمندی در مورد انبساط و فروپاشی حباب‌های کاویتاسیون ارائه کرده است. و همچنین تکامل اندازه و بلورینگی نانوذرات. با این حال، مرحله اولیه فرآیند فرسایش در منشاء ظهور حباب کاویتاسیون و نانوذرات، تا حد زیادی برای کاوش تجربی درجا دور از دسترس باقی مانده است. در مطالعات ابلیشن لیزری در خلاء یا هوا، تصویربرداری کاوشگر پمپ نوری از بازتاب سطحی در آشکارسازی دگرگونی‌های فاز مرتبط با تغییرات بازتابی بزرگ یا تولید ساختارهای گذرا که علائم تداخل نوری مشخصی را تولید می‌کنند، مانند حلقه‌های نیوتن 10،11 موفق بوده است. با این حال، پیچیدگی اضافی فرسایش در مایعات، چالش مهمی برای تفسیر تغییرات چند مرحله‌ای سیگنال بازتابی ایجاد می‌کند.

در مطالعه اخیر در مورد حذف لیزری طلا در آب گزارش شده توسط Spellauge و همکاران 12، چالش تفسیر نتایج تصویربرداری نوری با تفکیک زمانی و مکانی با ایجاد پیوندهای مستقیم با پیش‌بینی‌های مدل‌سازی اتمی در مقیاس بزرگ، برطرف شد. ,13,14,15. Spellauge و همکاران با استفاده از اندازه‌گیری‌های بازتابی حل‌شده با زمان انجام شده در تمام مقیاس‌های زمانی مرتبط. قادر به بازسازی یک تصویر دینامیکی کامل از فرآیند فرسایش، از تحریک الکترونیکی و تزریق الکترون‌ها به محیط آب در اولین پیکوثانیه‌های پس از تحریک، تا برهم‌کنش دینامیکی ستون فرسایشی با آب و ظهور حباب کاویتاسیون هستند. در مقیاس زمانی نانوثانیه، و به انبساط و فروپاشی حباب کاویتاسیون در مقیاس ده‌ها میکروثانیه. اندازه‌گیری‌ها با پیش‌بینی‌های محاسباتی تجزیه فاز انفجاری یک منطقه سطحی از هدف تابیده شده، کاهش سریع ستون فرسایشی توسط محیط آب، تجمع یک لایه فلزی داغ در فصل مشترک ستون-آب، و تشکیل سازگاری دارند. نانوذرات در منطقه اختلاط توده آب 13. تأیید تجربی شکل‌گیری سریع نانوذرات در فصل مشترک توده-آب در اولین نانوثانیه‌های فرآیند فرسایش به‌ویژه قابل توجه است، زیرا برخلاف فرض رایج تشکیل نانوذرات در مرحله بسیار بعدی، در داخل حباب کاویتاسیون در حال گسترش است.

با این حال، تفسیر اندازه‌گیری‌های بازتابی به دور از ساده‌بودن است و شامل تعدادی فرضیه است که هنوز باید در آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های هدفمند آینده تأیید شوند. توصیف نظری خواص نوری گذرا ماده‌ای که در حال تغییر فاز بسیار غیرتعادلی است چالش برانگیز است و توسعه روش‌های محاسباتی پیشرفته را می‌طلبد. علاوه بر این، تصویربرداری نوری با تفکیک زمانی تنها نقشه‌های دوبعدی (2 بعدی) از فرآیند فرسایش سه بعدی (3D) را ارائه می‌کند. تغییر چگالی مواد، دما و حالت فاز در جهت عادی به سطح تابیده شده در شکل 1 با مجموعه ای از عکس های فوری از شبیه سازی های اتمی در مقیاس بزرگ از فرسایش لیزری یک هدف آلیاژی FeNi تابش شده توسط لیزر 10 اینچی نشان داده شده است.

شرکت سپنتا لیزر اسپادان

کتاب لیزر

کتاب لیزر مهندس شکوفه ساتری

تدریس فیزیک لیزر با شکوفه ساتری

فرامواد تراهرتز قابل برنامه ریزی با حافظه غیر فرار

متاماده تراهرتز با عملکرد حافظه. هر پیکسل با سرکوب تداخل حرارتی آدرس‌پذیر است و سرعت مدولاسیون 1 کیلوهرتز به دست می‌آید. حالت آن امکان نوشتن، خواندن و پاک شدن با یک پالس الکتریکی را فراهم می کند. بنابراین، ذخیره سازی غیر فرار تصاویر تراهرتز چند حالته نشان داده شده است.

حالت و پلاریزاسیون-تقسیم مولتی پلکس بر اساس نیوبات لیتیوم بارگیری شده با نیترید سیلیکون بر روی پلت فرم عایق

حالت و پلاریزاسیون-تقسیم مالتی پلکس روی یک لایه نازک لیتیوم نیوبات روی پلت فرم عایق (LNOI). با معرفی نیترید سیلیکون به عنوان ماده بارگیری در بالای تراشه فوتونیک LNOI، دستگاه ها را می توان با مدولاتورهای الکترواپتیکی پرسرعت ادغام کرد تا به مدارهای مجتمع فوتونیک با ظرفیت بالا و کم هزینه مناسب برای کاربردهای ارتباط داده دست یابد، در حالی که از اچ کردن مستقیم جلوگیری می کند. لیتیوم نیوبات

اهمیت نانولیزرهای متامتریال

اهمیت نانولیزرهای متامتریال با توجه به اینکه هنوز یک فناوری در حال توسعه هستند، زیاد است و پیشرفت‌های بیشتری در زمینه کاربردها و استفاده صنعتی حاصل نشده است. اکنون می‌توان متامواد را با ساختارها یا الگوهای مصنوعی در مقیاس نانو ساخت تا موادی بسازند که در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار گیرد.

این نانولیزرهای فرامواد به راحتی می توانند نوری را در مقیاس نانو تولید کنند که منسجم است، بر خلاف لیزرهای معمولی، که در آن تراکم و کارایی یک خلأ بزرگ بود.

نانولیزرهای متامتریال آستانه کمی در رابطه با پمپ‌های نوری، نسبت سیگنال به نویز بهتر، میزان بازده داخلی و خارجی بالاتر در مقیاس کوانتومی و طول لیزر کوتاه‌تر متشکل از میکرون‌های بسیار کم و در کل اندازه فشرده خوبی دارند.

با توجه به منحصربه‌فرد بودن نانولیزر و متاماده، محدودیت آستانه لیزر کم، راندمان لیزر بالاتر و سرعت‌هایی که در مدولاسیون‌ها بسیار بالاتر هستند، نانولیزرهای فراماده پتانسیل بالایی در بسیاری از کاربردهای سنجش عملی دارند. کاربردهای دیگر شامل استفاده از نانوسیم ها برای مشخص کردن مواد برای شناسایی در کمترین پارامتر نوری مانند یک مولکول منفرد با مدولاسیون های سریع تر و وضوح بالاتر است. این ویژگی‌ها تاکید می‌کنند که چرا این نانولیزرهای فرامواد در خواص نوری مهم هستند.

کاربردها و مزایای نانولیزر متامتریال جدید

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

نانولیزر متامتریال خواص منحصر به فرد بسیاری دارد. اما ابتدا باید به معنای این مواد نگاهی بیندازیم. متامتریال ها ویژگی مورد نظری را ارائه می دهند که به طور طبیعی یافت نمی شود. آنها معمولا از مواد کامپوزیتی مانند پلاستیک و فلز ساخته می شوند. اینها در الگوهایی مونتاژ می شوند که در مقیاس های بسیار کوچک تکرار می شوند و می توانند بر طول موج تأثیر بگذارند.

منحصر به فرد بودن در طراحی ساختاری آنها منجر به تولید خواص هوشمند می شود که منجر به مدیریت امواج الکترومغناطیسی مختلف با جذب، خمش یا مسدود کردن امواج برای دستیابی به خواص مطلوب می شود.

نمودار شماتیک ساختار نانولیزر متامتریال که قسمت های مختلف لیزر را نشان می دهد.

نانولیزرها نور را در ابعاد نانو ساطع می کنند. آنها با استفاده از نانوسیم ها یا مواد در مقیاس نانو برانگیخته می شوند.

نانولیزرهای متامتریال

محققان با ترکیب متا مواد و نانولیزرها نانولیزرهای متامتریال را ساخته اند که کاربردهای زیادی در صنعت نوری دارند. اینها به گونه ای طراحی شده اند که از هر نوع متامتریال استفاده می شود. فرامواد مورد بحث در بالا دارای برخی موجبرها هستند که به صورت دوره ای نوارها و شکاف های هوا در مقیاس نانو هستند. این موجبرها از همه طرف با هوا حصار می شوند و فقط قسمت زیرین زیرلایه باقی می ماند.

متامتریال بهره می تواند در را برای داشتن منابع نور کارآمد یکپارچه با دستگاه های فوتونیک سیلیکونی در همان پلت فرم باز کند.

شکاف های هوای توزیع شده افقی با نوارهای بهره که به صورت دوره ای توزیع می شوند، عمدتاً برای دستیابی به ضریب شکست مفید متاماده بهبود می یابند که برای کاربرد مورد نظر، عمدتاً لیزر و طول موج پمپ، مناسب است.

فراماده بهره برای پمپاژ نوری کارآمد و انتشار لیزر، و در نتیجه نانولیزر موج سیار با طول کوتاه با اندازه فشرده اجازه می دهد.

کاوش و تصویربرداری از برهمکنش های اسپین-مدار فوتونیک در نانوساختارها

روش‌های مختلفی برای کاوش و توصیف برهم‌کنش‌های اسپین-مدار فوتونیک (PSOIs) مورد بحث قرار گرفته‌اند. کارهای پایونیر و پیشرفت‌های اخیر در تشخیص اثر اسپین-هال نوری، اثر اسپین-هال کوانتومی نور، و حفاظت از چرخش به گرداب در هر دو میدان دور و نزدیک خلاصه شده است. مزایا و چالش‌های مربوطه آن‌ها تحلیل می‌شوند و چشم‌اندازی در مورد توسعه بالقوه توصیف PSOI ارائه می‌شود.

جریان های تونلی نانو آنتن امواج لیزر را ثبت می کنند

جریان های تونل زنی در داخل ساختارهای نانوساختار پلاسمونیک آنقدر سریع هستند که می توانند مستقیماً به میدان الکتریکی متزلزل نور نزدیک به مادون قرمز و مرئی دسترسی پیدا کنند و مسیرهای هیجان انگیزی را به سمت اندازه گیری ثانویه متقابل ماده ماده و روش های منحصر به فرد طیف سنجی باز کنند.