Νάνο- και Μίκρο- Ακουστικά Κύματα Παραγόμενα από παλμικά Laser και εφαρμογές στην επιστήμη υλικών

Περιγραφή

Η παραγωγή υπερήχων μέσω ακτινοβολίας laser αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για τον χαρακτηρισμό και την τροποποίηση υλικών. Η ερευνητική μας ομάδα αναπτύσσει και εφαρμόζει μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία που συνδυάζει υψηλής ακρίβειας πειράματα και προηγμένες υπολογιστικές προσομοιώσεις για τη μελέτη των φαινομένων αυτών.

Πειραματική Προσέγγιση

Χρησιμοποιούμε τεχνικές pump-probe συμβολομετρίας για την παραγωγή και την ταυτόχρονη καταγραφή της εξέλιξης των ακουστικών κυμάτων. Ένας παλμός pump διεγείρει το δείγμα, ενώ ένας δεύτερος, χρονικά καθυστερημένος παλμός “ανίχνευσης” (probe) καταγράφει την παραμόρφωση της επιφάνειας μέσω συμβολομετρίας Michelson. Η διάταξη αυτή επιτρέπει:

• Υψηλή ανάλυση:Η μέθοδος προσφέρει πλευρική ανάλυση ~1 μm και κατακόρυφη ανάλυση ~1 nm, επιτρέποντας την παρακολούθηση της διάδοσης των κυμάτων σε πραγματικό χρόνο.
• Ανίχνευση Brillouin:Σε λεπτά υμένια, οι ταλαντώσεις Brillouin στο σήμα ανακλαστικότητας παρέχουν πληροφορίες για το πλάτος και την ταχύτητα των ακουστικών παλμών στο υπόστρωμα.
• Δυνατότητα χρήσης διαφορετικών πηγών laser για pump και probe.

Υπολογιστική Προσέγγιση

Για την κατανόηση και την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των υλικών, αναπτύσσουμε προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Τα μοντέλα αυτά προσομοιώνουν:

• Τη διάδοση των ακουστικών κυμάτων, λαμβάνοντας υπόψη μη-γραμμικά φαινόμενα, πλαστική παραμόρφωση και αλλαγές φάσης (τήξη, εξάχνωση).
• Την αλληλεπίδραση των κυμάτων με ανομοιογένειες (επιφανειακές ρωγμές, όρια υλικών).
• Τη συσσώρευση τάσεων και τη δημιουργία περιοδικών επιφανειακών δομών (LIPSS).
• Στη περίπτωση χρήσης fs παλμών οι προσομοιώσεις λαμβάνουν υπόψη το Μοντέλο Δύο Θερμοκρασιών (TTM) που περιγράφει την αρχική διέγερση και θέρμανση των ηλεκτρονίων, καθώς και τη μεταφορά ενέργειας στο πλέγμα μέσω της σύζευξης ηλεκτρονίου-φωνονίου.

Εφαρμογές και Βασικά Ευρήματα

Αξιολόγηση Υλικών ως Μετατροπέων: Συγκρίναμε την απόδοση λεπτών υμενίων Ta, Ti και Au. Το Ta αναδεικνύεται ως εξαιρετικός μετατροπέας, παράγοντας ισχυρότερες ακουστικές τάσεις στο Si σε σχέση με το Ti, λόγω του υψηλού μέτρου Young και της καλής ελαστικής του συμπεριφοράς.

Μη Καταστροφικός Έλεγχος: Δείξαμε ότι τα SAWs που παράγονται από fs laser έχουν μικρό βάθος διείσδυσης (<15 μm) και είναι ιδανικά για τον εντοπισμό επιφανειακών ατελειών (π.χ., ρωγμές), σε αντίθεση με τα SAWs από ns laser που “βλέπουν” βαθύτερα.

Δημιουργία LIPSS: Μελετήσαμε ότι ο σχηματισμός περιοδικών επιφανειακών δομών (LIPSS) μπορεί να προκληθεί από τη συμβολή μηχανικών κυμάτων που ανακλώνται από όρια (π.χ. προηγούμενους κρατήρες). Το βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας και η πόλωση του φωτός παίζουν καθοριστικό ρόλο στη μορφολογία και την κανονικότητα των δομών.

Δημοσιεύσεις

Kaleris, K., Kaniolakis-Kaloudis, E., Kaselouris, E., Kosma, K., Gagaoudakis, E., Binas, V., Petraklis, S., Dimitriou, V., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A. (2023). Efficient ultrafast photoacoustic transduction on Tantalum thin films. Applied Physics A, 129, 550. https://doi.org/10.1007/s00339-023-06797-6 

Papadaki, H., Mirza, I., Bulgakova, N.M., Kaselouris, E., Dimitriou, V. (2025). Thermomechanical Study of Periodic Surface Structuring on Silicon Wafers via Picosecond Laser Pulses. Materials, 18(23), 5506. https://doi.org/10.3390/ma18245506

Mirza, I., Sládek, J., Levy, Y., Bulgakov, A.V., Dimitriou, V., Papadaki, H., Kaselouris, E., Gečys, P., Račiukaitis, G., Bulgakova, N.M. (2025). Coherence effects in LIPSS formation on silicon wafers upon picosecond laser pulse irradiations. Journal of Physics D: Applied Physics, 58(8), 085307. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ad9d51

Kosma, K., Kaleris, K., Kaselouris, E., Kaniolakis-Kaloudis, E., Petrakis, S., Orphanos, Y., Gagaoudakis, E., Binas, V., Bakarezos, E., Tatarakis, M., Dimitriou, V., Papadogiannis, N.A. (2023). Pump-probe reflectivity studies of ultrashort laser-induced acousto-mechanical strains in ZnO films. Applied Physics A, 129, 597. https://doi.org/10.1007/s00339-023-06837-1

Papadaki, H., Kaselouris, E., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V. (2023). A Computational Study of Solid Si Target Dynamics under Pulsed Laser Irradiation from Elastic to Melting Regime. Computation, 11(12), 240. https://doi.org/10.3390/computation11120240

Orphanos, Y., Kosma, K., Kaselouris, E., Vainos, N., Dimitriou, V., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A. (2019). Integrated nanosecond laser full-field imaging for femtosecond laser-generated surface acoustic waves in metal film-glass substrate multilayer materials. Applied Physics A, 125, 269. https://doi.org/10.1007/s00339-019-2552-6

Bakarezos, M., Tzanaki, E., Petraki, S., Tsibidis, G., Loukakos, P.A., Dimitriou, V., Kosmidis, C., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A. (2018). Ultrafast laser pulse chirp effects on laser-generated nanoacoustic strains in Silicon. Ultrasonics, 86, 14-19. https://doi.org/10.1016/j.ultras.2018.01.008

Tzianaki, E., Bakarezos, M., Tsibidis, G.D., Orphanos, Y., Loukakos, P.A., Kosmidis, C., Patsalas, P., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A. (2015). High acoustic strains in Si through ultrafast laser excitation of Ti thin-film transducers. Optics Express, 23(13), 17191-17204. https://doi.org/10.1364/OE.23.017191

Kaselouris, E., Nikolos, I.K., Orphanos, Y., Bakarezos, E., Papadogiannis, N.A., Tatarakis, M., Dimitriou, V. (2016). Elastoplastic study of nanosecond-pulsed laser interaction with metallic films using 3D multiphysics fem modeling. International Journal of Damage Mechanics, 25(1), 42-55. https://doi.org/10.1177/1056789515576553

Dimitriou, V., Kaselouris, E., Orphanos, Y., Bakarezos, M., Vainos, N., Nikolos, I.K., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A. (2015). The thermo-mechanical behavior of thin metal films under nanosecond laser pulse excitation above the thermoelastic regime. Applied Physics A, 118, 739-748. https://doi.org/10.1007/s00339-014-8792-6