بخشی از مقاله
چکیده
دسترسی به دماهاي بالا، با توزیع همگن در کمترین زمان ممکن در لایه نشانی لیزر پالسی مواد اکسیدي، بویژه رشد نمونه هاي بلوري از خانواده گارنت ها ضروري است. در این مقاله شبیه سازي یک گرم کن لیزري گاز کربنیک براي استفاده از زیرلایه هاي دیسک شکل به روش المان هاي محدود انجام گرفته است. اثر تغییرات توان لیزر و اندازه لکه لیزري بر همگنی توزیع دمایی بدست آمده روي وجه مخالف دیسک - سطح لایه نشانی - بررسی گردیدهتوناست. 6 وات و اندازه لکه 5 میلی متر، پارامترهاي بهینه ي لیزر جهت حصول به توزیع یکنواخت بدست آمده است.
زمان مورد نیاز براي دسترسی به دماي مطلوب 1020 K توسط لیزر گاز کربنیک با مشخصات فوق، 250 ثانیه محاسبه گردیده است. اثر تغییر ضخامت دیسک در توزیع دمایی روي سطح لایه نشانی نیز مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. هدف از انجام این شبیه سازي، بدست آوردن پارامترهاي بهینه ي لیزر گازکربنیک براي طراحی گرم کن، جهت استفاده در سیستم لایه نشانی لیزر پالسی PLD موجود بوده است.
مقدمه
گرمایش زیر لایه ها در هنگام لایه نشانی، براي رشد همگن لایه هاي بلوري ضروري است. ازجمله بهترین روشهاي گرم کردن زیرلایه ها به هنگام لایه نشانی، استفاده ازگرمکنهاي لیزري است. این گرمکنها نسبت به موارد مشابه نظیر گرمکنهاي مقاومتی ولامپهاي هالوژنی مزیت هاي قابل توجهی دارند. دستیابی به دماهاي بالا - افزون بر هزار درجه کلوین - ، عدم خروج گاز از قطعات داخلی سیستم خلا بدلیل متمرکز بودن انرژي گرمایی حاصل از لیزر، دستیابی به دماي مورد نظر بر روي سطح زیرلایه در زمانهاي کوتاه - در حد چند دقیقه - ، قابلیت تنظیم دماي نمونه به دلخواه کاربر با استفاده از قطعات اپتیکی در میانه راه و یا جاروب نمودن سطح آن توسط پرتو لیزري و اتلاف انرژي اندك وهزینه ي پایین تر از جمله این مزیت ها محسوب می شوند.
در لایه نشانی مواد از زیرلایه هایی با شکل هاي هندسی متفاوت، نظیر مربع، مستطیل و دایروي، به طور معمول، استفاده می شود. زیرلایه هاي دایروي با داشتن تقارن بالاتر و تطبیق بیشتر با شرایط لایه نشانی لیزر پالسی، به دلیل سطح مقطع دایروي توده ذرات کند وسوز شده از سطح هدف، گزینه اي مطلوب براي استفاده در این روش هستند.
ضمن آنکه پاره اي از کاربردها، منحصرا نیازمند استفاده از زیرلایه هاي دایروي می باشند. به عنوان بارزترین مثال می توان به ساخت لیزرهاي دیسکی اشاره نمود. براي چنین کاربردهایی، طراحی و ساخت گرم کنی که قابلیت تولید میدان دمایی همگن و یکنواخت بر روي سطح زیرلایه را فراهم نماید، یک ضرورت تلقی می گردد. شبیه سازي و پیش بینی توزیع دمایی ناشی از گرم کن هاي لیزري CO2 براي زیرلایه هاي مربع شکل پیش از این ارائه گردیده است، [1 2]، اما براي زیرلایه هاي دیسک شکل گزارشی در منابع علمی موجود نیست.
روش شبیه سازي
روش المان هاي محدود و نرم افزار COMSOL MULTIPHYSICS براي ساخت مدل کامپیوتري سه بعدي توصیف کننده انتقال گرما، ناشی از منبع گرمایی لیزر گازکربنیک با توزیع هاي متفاوت، در زیرلایه دیسک شکل به شعاع 5 و ضخامت 1 میلی متر استفاده گردیده است. از هندسه مورد استفاده و توزیع گاوسی پرتو لیزر بر روي سطح آن را نشان می دهد. با توجه به آنکه زیرلایه ها در محیط خلا حرارت دهی می شوند، می توان اتلاف انرژي گرمایی روي سطوح جانبی دیسک را تنها ناشی از تابش درنظر گرفت. بنابراین روي سطوح، شرایط مرزي غیرخطی به صورت زیر خواهد بود:
ε تابش - emissivity - ، σ ثابت استفان بولتزمن، Tamb دماي محیط و n بردار یکه به سمت داخل دیسک است. در اینجا جنس محیط - Y3Al5O12 - YAG فرض گردیده است. این انتخاب بدلیل پایداري حرارتی بالا و ضریب جذب بالاي یاگ براي طول موج 10/6 µm لیزر CO2 بوده است. براي تحلیل حرارتی دقیق مساله بایستی در نظر داشت که ضریب رسانش گرمایی محیط وابسته به دماي محیط T است.
این وابستگی دمایی را می توان از اندازهگیري هاي تجربی گزارش شده اقتباس نمود Tamb .[3] برابر دماي اتاق - 239 K - ، مقدار α براي طول موج µm 10/6 برابر 200 Cm-1 و مقدار ε برايبهیاگ برابر 0/45، با توجه اندازه گیري تجربی ذکر شده در [1]، انتخاب گردیده اند. پارامتر مهمی که در این شبیه سازي ها بایستی مد نظر قرار داد، انحراف معیار استاندارد دما بر روي سطح پائینی دیسک - سطح لایه نشانی - است.
انحراف معیار پایین نشاندهنده همگنی دما و مقدار بالاي آن نشاندهنده اختلاف دمایی زیاد میان قسمت هاي مختلف آن است. در این شبیه سازي با تغییر پارامترهاي p و w مقدار کمینه انحراف معیار بر روي سطح پائینی دیسک بدست آمده است. اثر ضخامت دیسک نیز در پخش گرما و توزیع همگن تر دما بررسی گردیده است.
نتایج
با توجه به قابلیت لیزر CO2 در دسترس، مقدار توان فرودي تااز3 15 وات با گامهاي 0/1 در محاسبات منظور گردید. در انجام این محاسبات، اندازه لکه ثابت و برابر 5mm - نصف قطر دیسک - فرض شده است. شکل هاي 2 و 3، به ترتیب، میزان انحراف معیار استاندارد دما و دماي میانگین را روي سطح لایه نشانی برحسب تغییرات p نشان می دهند.
نکته قابل توجه، افزایش انحراف معیار و ناهمگنی دما با افزایش میزان توان لیزر فرودي است. علت این پدیده را می توان با توجه به طبیعت گاوسی رابطه - 2 - ، در تمرکز بیشتر انرژي در مرکز دیسک، با افزایش p، درك نمود. مطابق با شکل3، براساس دماي مورد نیاز، می توان توان لیزر فرودي را تعیین نمود. اما بایستی درنظر داشت که با افزایش دماي مورد نیاز و توان فرودي، مطابق با شکل2، انحراف معیار دما نیز افزایش پیدا می نماید.
با توجه به دماي مورد نیاز براي رشد بلوري گارنت ها - Garnets - درحدود 1000 درجه کلوین، در ادامه شبیه سازي و بررسی اثر تغییر پارامتر w مقدار توان برابر 6 وات ثابت درنظر گرفته شده است. شکل هاي 4 و 5 تغییرات میزان انحراف معیار استاندارد دما و دماي میانگین را روي سطح لایه نشانی برحسب اندازه لکه لیزري - w - نشان می دهند. با افزایش اندازه لکه، انحراف معیار کاهش پیدا نموده و همگنی توزیع دما بر روي سطح افزایش می یابد. این مساله با توجه به توزیع همگنتر انرژي تابشی بر روي سطح با افزایش w وتغییر آن از حالت متمرکز در مرکز نمونه به حالت گستردهتر قابل پیشبینی است.
اپتیک و فتونیک
ناشی از اتلاف انرژي لیزري درنتیجه خارج از سطح دیسک قرارگرفتن مقدار بیشتري از منبع گرمایی، رابطه - 2 - ، با افزایش اندازه لکه لیزري است. تمرکز انرژي بر روي قطعه مورد نظر و اجتناب از گرم شدن بیهوده قطعات جانبی سیستم مساله مهم دیگري است که در طراحی هر نوع گرمکنی بایستی مد نظر قرار بگیرد. نشان می دهد. نکته مهم، افزایش سریع اتلاف انرژي تابشی جذب شده روي سطح با افزایش w است بطوریکه در 1 سانتی متر بیش از 60% از انرژي تابشی، خارج از محدوده سطح بالایی نمونه قرار گرفته و با تابیده شدن بر روي قطعات مجاور در داخل محفظه لایه نشانی باعث گرم شدن آنها خواهد شد.
