Μεθοδολογίες δυναμικού νανοσκοπικού χαρακτηρισμού υλικών με ακουστικές πηγές παραγόμενες από υπερβραχείς παλμούς λέιζερ

Abstract

The rapid development of nanotechnology during the recent years demands the development of new material characterization techniques at the microscopic level. In this thesis the development of dynamic nanoscopic characterization of materials is presented, based on acoustic sources generated by ultrashort laser pulses. The acoustic waves are generated in thin-film metal transducers that convert the laser pulse energy into elastic waves. For the generation of such acoustical sources both nanosecond and femtosecond laser pulses are used. Dynamic, whole-field interferometric techniques are developed, having appropriate spatial and temporal resolution, in order to monitor the generated surface micro-mechanical deformations as they expand outwards the irradiated region. The capabilities of the developed methodologies are demonstrated in the study of simple layered metal/glass systems, in the thermoelastic, melting and ablation regimes. These methodologies are also applied in simple layered structures with artificially induced surface defects. In this case, the influence of the duration of the exciting laser pulses on the coupling depth of the Rayleigh surface waves is studied, and microscale reflection and interference of these waves is recorded. Furthermore, the applicability of these methodologies is demonstrated for the case of composite layered systems, incorporating poly-methyl-methacrylate and epoxy resin substrates. Last, but not least, the experimental findings are used for the development and validation of a finite element analysis model that simulates the multiphysics problem.

Με την ραγδαία ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας κατά τα τελευταία χρόνια, γίνεται ολοένα και πιο επιτακτική η ανάγκη ανάπτυξης νέων τεχνικών χαρακτηρισμού υλικών σε μικροσκοπικό επίπεδο. Στην διατριβή αυτή αναπτύσσονται μεθοδολογίες δυναμικού νανοσκοπικού χαρακτηρισμού υλικών με ακουστικές πηγές παραγόμενες από υπερβραχείς παλμούς laser. Η παραγωγή των ακουστικών κυμάτων γίνεται σε λεπτό μεταλλικό επιφανειακό στρώμα που έχει το ρόλο του μετατροπέα της φωτεινής ενέργειας του laser σε ελαστικά κύματα. Για την δημιουργία των ακουστικών πηγών χρησιμοποιήθηκαν τόσο nanosecond όσο και femtosecond παλμοί laser. Για την δυναμική παρακολούθηση των δημιουργούμενων ακουστικών κυμάτων αναπτύσσονται συμβολομετρικές πειραματικές τεχνικές χωρο-χρονικής απεικόνισης ολικού πεδίου, με κατάλληλη χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα, ώστε να είναι δυνατή η απεικόνιση επιφανειακών μικρο-μηχανικών παραμορφώσεων κατά την εξάπλωση των κυμάτων αυτών. Οι δυνατότητες των μεθοδολογιών αξιολογήθηκαν σε απλά διαστρωματωμένα υλικά μετάλλου/γυαλιού, τόσο στην θερμοελαστική περιοχή και την περιοχή τήξης, όσο και στην περιοχή φωτοαποδόμησης. Εφαρμόστηκαν επίσης σε απλά διαστρωματωμένα υλικά με τεχνητά δημιουργούμενες επιφανειακές ατέλειες. Σε αυτά μελετήθηκε η επίδραση της χρονικής διάρκειας των παλμών laser διέγερσης στο βάθος σύζευξης των Rayleigh επιφανειακών κυμάτων, και καταγράφηκαν μικρο-κυματικά φαινόμενα ανάκλασης και συμβολής. Έπειτα επιδείχθηκε η εφαρμογή των παραπάνω μεθοδολογιών σε σύνθετα διαστρωματωμένα υλικά, που περιέχουν πολυμεθυλμεθακρυλικά υποστρώματα και υποστρώματα εποξικής ρητίνης. Τέλος, τα πειραματικά αποτελέσματα αποτέλεσαν τη βάση για την ανάπτυξη και επαλήθευση μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων προσομοίωσης της πολύ-φυσικής του φαινομένου.