Met behulp van ultrakorte laserpulsen van enkele picoseconden (biljoensten van een seconde), Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een efficiënt mechanisme ontdekt voor laserablatie (verwijdering van materiaal) dat zou kunnen helpen de weg vrij te maken voor het gebruik van energiezuinige, goedkopere lasers in veel industriële laserverwerkingstoepassingen.

De nieuwe methode, gerapporteerd in een Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde paper online gepubliceerd, maakt gebruik van korte golflengte, laserpulsen met hoge fluentie (energie per oppervlakte-eenheid) om schokgolven aan te drijven die het doelmateriaal doen smelten. Na het passeren van de schokgolf, de smeltlaag wordt onder spanning gezet tijdens een proces dat bekend staat als relaxatie, uiteindelijk leidend tot het uitwerpen van materiaal door cavitatie (instabiele bellengroei).

De onderzoekers gebruikten een combinatie van experimenten en verbeterde computersimulaties in een voorheen onontgonnen bereik van laserenergieën en golflengten om picoseconde laserpulsablatie van aluminium te bestuderen, roestvrij staal en silicium. Hun bevindingen tonen aan dat pulsen van ultraviolet (UV) picoseconden bij fluenties van meer dan 10 joule per vierkante centimeter (J/cm2) meer materiaal kunnen verwijderen met minder energie dan pulsen met een langere golflengte.

"We ontdekten dat dit bereik van meer dan 10 joule per vierkante centimeter, in het bijzonder voor UV-laserpulsen, heel anders gedroeg dan lagere fluenties en langere golflengten, " zei Jeff Bude, NIF &Photon Science plaatsvervangend hoofd associate director voor Wetenschap &Technologie.

"De verwijderingssnelheid springt als je verder gaat dan 10 joule per vierkante centimeter, en vooral voor het UV-licht, "Zei Bude. "Tegelijkertijd gaat de sprong in de verwijdering gepaard met een toename van de verwijderingsefficiëntie - een vermindering van de hoeveelheid energie die nodig is om een ​​bepaald volume materiaal te verwijderen.

"Dat was echt intrigerend voor ons; het suggereerde dat hier misschien een ander mechanisme aan de hand is. Dus we besloten dat picoseconde laserablatie een goede testcase zou zijn om ablatiefysica te onderzoeken in een regime dat niet goed werd begrepen."

De studie wordt beschouwd als de eerste uitgebreide blik op het picoseconde-puls laserablatieproces. Geselecteerd als een "Editor's Pick" door de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde Editors, het onderzoek maakte deel uit van een lopende Laboratory Directed Research and Development (LDRD) studie van gepulseerde lasermateriaalmodificatie onder leiding van Bude.

De onderzoekers vergeleken de resultaten van lasergolflengten van 355 nanometer (UV) en 1, 064 nm (nabij-infrarood) over een fluentiebereik van 0,1 tot 40 J/cm2 en ontdekte dat de kortere golflengten de verwijdering met bijna een orde van grootte verbeterden ten opzichte van de gemeten verwijdering bij 1, 064 nm. Laserablatie was vele malen efficiënter bij de UV-golflengte in vergelijking met het nabij-infrarood in alle drie de materialen.

Simulaties met behulp van de hydrodynamische stralingscode HYDRA toonden aan dat de toename in ablatie-efficiëntie te wijten was aan het feit dat de UV-laserpulsen dieper in de ablatieve pluim doordringen en energie dichter bij het doeloppervlak afzetten. wat resulteerde in schokken bij hogere druk, diepere smeltpenetratie en uitgebreidere verwijdering door cavitatie.

"Het verwijderingsmechanisme - schokverwarming die een smelt creëert en die vervolgens met cavitatie verwijdert - vereist minder energie om materiaal te verwijderen dan verdamping van het materiaal, "Zei Bude. "Dat is de verklaring waarom het efficiënter is."

"Deze ontdekking werd echt mogelijk gemaakt door onze unieke modellerings- en simulatiemogelijkheden hier in het Lab, " zei LLNL-analist Wes Keller, hoofdauteur van het artikel. "Dit was een bijzonder uitdagend probleem om te modelleren omdat het depositieproces van laserenergie nauw gekoppeld was aan de hydrodynamische respons van het materiaal, waarvoor een unieke code zoals HYDRA nodig is die deze geïntegreerde mogelijkheid heeft."

Ingewikkelde reactie

In sommige opzichten was het onderzoek een kwestie van het omzetten van een uitdaging in een kans. Kort nadat de studie begon, de onderzoekers realiseerden zich dat de materiële respons op picoseconde-lasers een stuk ingewikkelder was dan wanneer de meer gebruikelijke femtoseconde (quadrillionste van een seconde) lasers waren gebruikt.

"Als je picoseconde laserverwerking probeert te begrijpen, sommige van de vereenvoudigende aannames van de fysica die je krijgt met zeer korte (femtoseconde) pulsen zijn niet langer betrouwbaar, " zei Bude. In plaats van simpelweg de laserenergie te absorberen en te verdampen, "het materiaal bewoog, het evolueerde in de laserpluim, " zei hij. Dit betekende dat de modellen moesten worden aangepast om rekening te houden met zowel de hydrodynamica van het smeltende materiaal als de interacties tussen de laserpuls en het plasma (geïoniseerd gas) in de ablatieve pluim.

"We moesten laser-plasma-interactie echt correct modelleren, "Bood zei, "Dus moesten we veel creatieve experimenten doen om enkele tekortkomingen in het model op te lossen. Uiteindelijk, we waren in staat om de essentiële fysica van dit regime te identificeren, en we ontdekten dat je schokverwarming nodig hebt om microndiepe smelt te creëren. En nadat je deze diepe smelt met schokverwarming hebt gemaakt, heb je een mechanisme nodig om het te verwijderen, en we ontdekten dat dat mechanisme cavitatie was."

Toen ze eenmaal beseften dat tijdelijk gevormd, of getimed, pulsen kunnen profiteren van de instabiliteiten in het gesmolten materiaal, de onderzoekers waren in staat om gevormde pulsen te gebruiken om een ​​efficiëntere manier te creëren om materiaal te verwijderen. "We waren in staat om dit inzicht te gebruiken om laserverwerking op een andere manier te doen, "Bood zei, "dus het had eigenlijk veel spin-off voordelen, " waarvan sommige zullen worden beschreven in aanvullende documenten die nu in voorbereiding zijn.

De resultaten suggereren ook dat picoseconde-pulslasers verschillende voordelen bieden ten opzichte van de meer algemeen gebruikte femtoseconde-lasers in termen van kosten, efficiëntie en schadebeperking. In aanvulling, ze bieden opties voor efficiënte frequentieconversie voor golflengteflexibiliteit.

"Er is een indicatie, "Bood zei, "dat je in het regime van picoseconden tot tientallen picoseconden (pulsen) dezelfde soort kwaliteit en gedrag kunt krijgen in je lasersnijden, boor- en scheerfuncties die je zou kunnen met duurdere lasers die werken op minder dan een picoseconde." De bevindingen zouden dus kunnen leiden tot nieuwe of efficiëntere lasertoepassingen in de industrie, nationale Defensie, geneeskunde en vele andere gebieden.