شبيه سازي گرم كن ليزري گازكربنيك براي گرمايش همگن زيرلايه هاي ديسك شكل در كاربردهاي لايه نشاني ليزر پالسي

Simulation of a CO2 laser heater for homogeneous heating of disk-shaped substrates in pulsed laser deposition applications

دسترسي به دماهاي بالا، با توزيع همگن در كمترين زمان ممكن در لايه نشاني ليزر پالسي مواد اكسيدي، بويژه رشد نمونه هاي بلوري از خانواده گارنت ها ضروري است. در اين مقاله شبيه سازي يك گرم كن ليزري گاز كربنيك براي استفاده از زيرلايه هاي ديسك شكل به روش المان هاي محدود انجام گرفته است. اثر تغييرات توان ليزر و اندازه لكه ليزري بر همگني توزيع دمايي بدست آمده روي وجه مخالف ديسك (سطح لايه نشاني) بررسي گرديده است. توان 6 وات و اندازه لكه 5 ميلي متر، پارامترهاي بهينه ي ليزر جهت حصول به توزيع يكنواخت بدست آمده است. زمان مورد نياز براي دسترسي به دماي مطلوب K 1020 توسط ليزر گاز كربنيك با مشخصات فوق، 250 ثانيه محاسبه گرديده است. اثر تغيير ضخامت ديسك در توزيع دمايي روي سطح لايه نشاني نيز مورد بحث و بررسي قرار گرفته است. هدف از انجام اين شبيه سازي، بدست آوردن پارامترهاي بهينه ي ليزر گازكربنيك براي طراحي گرم كن، جهت استفاده در سيستم لايه نشاني ليزر پالسي PLD موجود بوده است.

Achieving high temperatures with good homogeneity across the deposition face of substrate is critical in pulsed laser depositioning of most complex oxide materials. We discuss here the Finite element modeling of a CO2 laser heater which is specially designed for disk-shaped substrates. A heat diffusion model has been used to compare the temperature distributions produced by changing the CO2 laser power and its spot size. A power of 6 watt and a beam spot size equal to 5 mm have been found as the optimal laser parameters for achieving the best uniform temperature distribution. The heater ramp time calculated to be 250 s which is some several order of magnitudes lower than that of typical heaters. The main goal of simulations has been to obtain the optimal CO2 laser parameters to design a laser heater for our pulsed laser deposition system.