Ny metode til bedre interaktion mellem laser og materiale

Ved at bruge ultrakorte laserimpulser, der varer nogle få picosekunder (billiontedele af et sekund), Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har opdaget en effektiv mekanisme til laserablation (materialefjernelse), der kan hjælpe med at bane vejen for brugen af ​​lavere energi, billigere lasere i mange industrielle laserbehandlingsapplikationer.

Den nye metode, rapporteret i en Journal of Applied Physics papir offentliggjort online, bruger kort bølgelængde, højfluens (energi pr. arealenhed) laserimpulser til at drive stødbølger, der smelter målmaterialet. Efter chokbølgens passage, smeltelaget sættes under spænding under en proces kendt som afslapning, i sidste ende fører til udstødning af materiale gennem kavitation (ustabil boblevækst).

Forskerne brugte en kombination af eksperimenter og forbedrede computersimuleringer i et tidligere uudforsket område af laserenergier og bølgelængder til at studere picosekunders laserpulsablation af aluminium, rustfrit stål og silicium. Deres resultater viser, at ultraviolette (UV) picosekundimpulser ved fluenser over 10 joule pr. kvadratcentimeter (J/cm2) kan fjerne mere materiale med mindre energi end længere bølgelængdeimpulser.

"Vi opdagede, at dette interval over 10 joule pr. kvadratcentimeter, især til UV-laserimpulser, opførte sig meget anderledes end lavere fluenser og længere bølgelængder, " sagde Jeff Bude, NIF &Photon Science vicedirektør for videnskab og teknologi.

"Fjernelseshastigheden springer, når du går ud over 10 joule pr. kvadratcentimeter, og især for UV-lyset, Bude sagde. "Samtidig ledsages springet i fjernelse af en stigning i fjernelseseffektiviteten - en reduktion i mængden af ​​energi, der kræves for at fjerne en given mængde materiale.

"Det var virkelig spændende for os; det antydede, at der måske er en anden mekanisme i gang her. Så vi besluttede, at picosecond laserablation ville være en god testcase til at undersøge ablationsfysikken i et regime, der ikke var godt forstået."

Studiet menes at være det første omfattende kig på picosecond-puls laser ablationsprocessen. Udvalgt som "Editor's Pick" af Journal of Applied Physics redaktører, forskningen var en del af en igangværende Laboratory Directed Research and Development (LDRD) undersøgelse af pulserende lasermaterialemodifikation ledet af Bude.

Forskerne sammenlignede resultaterne fra laserbølgelængder på 355 nanometer (UV) og 1, 064 nm (nær-infrarød) over et fluensområde på 0,1 til 40 J/cm2 og fandt ud af, at de kortere bølgelængder øgede fjernelse med næsten en størrelsesorden i forhold til den målte fjernelse ved 1, 064 nm. Laserablation var mange gange mere effektiv ved UV-bølgelængden sammenlignet med den nær-infrarøde i alle tre materialer.

Simuleringer ved hjælp af den hydrodynamiske strålingskode HYDRA viste, at stigningen i ablationseffektivitet skyldtes, at UV-laserimpulserne trængte dybere ind i den ablative fane og afsatte energi tættere på måloverfladen, hvilket resulterede i stød med højere tryk, dybere smeltegennemtrængning og mere omfattende fjernelse på grund af kavitation.

"Fjernelsesmekanismen - stødopvarmning, der skaber en smelte og derefter fjernelse af det med kavitation - kræver mindre energi for at fjerne materiale end fordampning af materialet, " sagde Bude. "Det er forklaringen på, hvorfor det er mere effektivt."

"Denne opdagelse blev virkelig lettet af vores unikke modellerings- og simuleringsevne her på laboratoriet, " sagde LLNL-analytiker Wes Keller, hovedforfatter af papiret. "Dette var et særligt udfordrende problem at modellere, fordi laserenergiaflejringsprocessen var tæt forbundet med materialets hydrodynamiske respons, kræver en unik kode som HYDRA, der har denne integrerede funktion."

Kompliceret svar

På nogle måder var forskningen et tilfælde af at gøre en udfordring til en mulighed. Kort efter undersøgelsen startede, forskerne indså, at materialets respons på picosekundlasere var en del mere kompliceret, end hvis de mere almindelige femtosekundlasere (kvadrilliontedele af et sekund) var blevet brugt.

"Når du forsøger at forstå picosekund laserbehandling, nogle af de forenklede antagelser om fysikken, som du får med meget korte (femtosekunder) pulser, er ikke længere pålidelige, " sagde Bude. I stedet for blot at absorbere laserenergien og fordampe, "materialet bevægede sig, det udviklede sig i laserfanen, " sagde han. Dette betød, at modellerne skulle justeres for at tage højde for både hydrodynamikken i det smeltende materiale og interaktionerne mellem laserimpulsen og plasmaet (ioniseret gas) i den ablative fane.

"Vi havde virkelig brug for at modellere laser-plasma-interaktion korrekt, " sagde Bude, "så vi var nødt til at lave en masse kreative eksperimenter for at rette nogle mangler i modellen. I sidste ende, vi var i stand til at identificere den væsentlige fysik i dette regime, og vi opdagede, at man skal have stødopvarmning for at skabe mikron-dyb smeltning. Og så efter du har skabt denne dybe smeltning med stødopvarmning, har du brug for en mekanisme til at fjerne den, og vi opdagede, at den mekanisme var kavitation."

Da de indså, at tidsmæssigt formet, eller tidsindstillet, impulser kunne udnytte ustabiliteten i det smeltede materiale, forskerne var i stand til at bruge formede pulser til at skabe en mere effektiv måde at fjerne materiale på. "Vi var i stand til at udnytte denne forståelse til at udføre laserbehandling på en anden måde, " sagde Bude, "så det havde faktisk en masse spinoff-fordele, " hvoraf nogle vil blive beskrevet i yderligere papirer, der nu er under forberedelse.

Resultaterne tyder også på, at picosekund-pulslasere tilbyder flere fordele i forhold til de mere almindeligt anvendte femtosekundlasere med hensyn til omkostninger, effektivitet og skadeskontrol. Ud over, de tilbyder muligheder for effektiv frekvenskonvertering for bølgelængdefleksibilitet.

"Der er noget, der tyder på, " sagde Bude, "at i regimet fra picosekunder til titusinder af picosekunder (impulser) kan du få den samme slags kvalitet og adfærd i din laserskæring, bore- og barberingsfunktioner, som du kunne med dyrere lasere, der opererer på mindre end et picosekund." Resultaterne kan således føre til nye eller mere effektive laserapplikationer i industrien, det nationale forsvar, medicin og mange andre områder.