Med ultrakorte laserpulser som varar några pikosekunder (biljondelar av en sekund), Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har upptäckt en effektiv mekanism för laserablation (materialborttagning) som kan hjälpa till att bana väg för användning av lägre energi, billigare lasrar i många industriella laserbehandlingsapplikationer.

Den nya metoden, rapporterade i en Journal of Applied Physics papper publicerat online, använder kort våglängd, högfluens (energi per ytenhet) laserpulser för att driva chockvågor som smälter målmaterialet. Efter passagen av chockvågen, smältskiktet placeras under spänning under en process som kallas avslappning, slutligen leder till materialutstötning genom kavitation (instabil bubbeltillväxt).

Forskarna använde en kombination av experiment och förbättrade datasimuleringar i ett tidigare outforskat utbud av laserenergier och våglängder för att studera picosekundlaserpulsablation av aluminium, rostfritt stål och kisel. Deras resultat visar att ultravioletta (UV) pikosekundpulser vid fluenser över 10 joule per kvadratcentimeter (J/cm2) kan ta bort mer material med mindre energi än pulser med längre våglängd.

"Vi upptäckte att detta intervall över 10 joule per kvadratcentimeter, särskilt för UV -laserpulser, betedde sig väldigt annorlunda än lägre fluenser och längre våglängder, "sa Jeff Bude, NIF &Photon Science biträdande rektor associerad chef för Science &Technology.

"Borttagningshastigheten hoppar när du går över 10 joule per kvadratcentimeter, och särskilt för UV -ljuset, "Sa Bude." Samtidigt åtföljs hoppet i avlägsnandet av en ökning av borttagningseffektiviteten - en minskning av mängden energi som krävs för att ta bort en given volym material.

"Det var verkligen spännande för oss. Det föreslog att det kanske finns en annan mekanism här. Så vi bestämde att laserablation med picosekunder skulle vara ett bra testfall för att undersöka ablationsfysik i en regim som inte var väl förstådd."

Studien tros vara den första omfattande tittningen på picosekund-pulslaserablationsprocessen. Vald som ett "Editor's Pick" av Journal of Applied Physics redaktörer, forskningen var en del av en pågående Laboratory Directed Research and Development (LDRD) studie av pulserande lasermaterialmodifiering som leds av Bude.

Forskarna jämförde resultaten från laservåglängder på 355 nanometer (UV) och 1, 064 nm (nära infrarött) över ett fluensintervall på 0,1 till 40 J/cm2 och fann att de kortare våglängderna förbättrade avlägsnandet med nästan en storleksordning över det uppmätta avlägsnandet vid 1, 064 nm. Laserablation var många gånger effektivare vid UV-våglängden jämfört med nära-infrarött i alla tre materialen.

Simuleringar med den hydrodynamiska strålningskoden HYDRA visade att ökningen av ablationseffektiviteten berodde på att UV -laserpulserna trängde djupare in i den ablativa plummen och avsatte energi närmare målytan, vilket resulterade i högre tryckchocker, djupare smältinträngning och mer omfattande avlägsnande på grund av kavitation.

"Avlägsnandemekanismen - chockuppvärmning som skapar en smälta och sedan avlägsnar den med kavitation - kräver mindre energi för att ta bort material än förångning av materialet, "Sa Bude." Det är förklaringen till varför det är mer effektivt. "

"Denna upptäckt underlättades verkligen av vår unika modellerings- och simuleringsförmåga här på labbet, "sa LLNL -analytiker Wes Keller, huvudförfattare till tidningen. "Detta var ett särskilt utmanande problem att modellera eftersom laserenergiavsättningsprocessen var nära kopplad till materialets hydrodynamiska svar, kräver en unik kod som HYDRA som har denna integrerade förmåga. "

Komplicerat svar

På vissa sätt var forskningen ett fall av att göra en utmaning till en möjlighet. Strax efter att studien började, forskarna insåg att materialresponsen på pikosekundlasrar var mycket mer komplicerad än om de vanligare femtosekund (kvadriljondelar av en sekund) lasrar hade använts.

"När du försöker förstå picosekundlaserbehandling, några av de förenklande antagandena i fysiken som du får med mycket korta (femtosekund) pulser är inte längre tillförlitliga, "Sa Bude. Snarare än att bara absorbera laserenergin och förångas, "materialet rörde sig, det utvecklades i laserplumen, "sa han. Detta innebar att modellerna måste tweakas för att ta hänsyn till både hydrodynamiken i det smältande materialet och interaktionerna mellan laserpulsen och plasma (joniserad gas) i den ablativa plummen.

"Vi behövde verkligen modellera laser-plasma-interaktion korrekt, "Sa Bude, "så vi var tvungna att göra många kreativa experiment för att åtgärda några brister i modellen. I slutändan, vi kunde identifiera den grundläggande fysiken i denna regim, och vi upptäckte att du måste ha chockvärme för att skapa mikron-djup smältning. Och sedan när du har skapat denna djupa smältning med chockvärme behöver du en mekanism för att ta bort den, och vi upptäckte att den mekanismen var kavitation. "

När de väl insåg att den tidsmässigt formade, eller tidsinställd, pulser kan utnyttja instabiliteten i det smälta materialet, forskarna kunde använda formade pulser för att skapa ett mer effektivt sätt att ta bort material. "Vi kunde utnyttja denna förståelse för att göra laserbearbetning på ett annat sätt, "Sa Bude, "så det hade faktiskt många spinoff -fördelar, "En del av dem kommer att beskrivas i ytterligare papper som håller på att förberedas.

Resultaten tyder också på att picosekund-pulslasrar erbjuder flera fördelar jämfört med de mer vanliga femtosekundlasrarna när det gäller kostnad, effektivitet och skadestyrning. Dessutom, de erbjuder alternativ för effektiv frekvenskonvertering för våglängdsflexibilitet.

"Det finns en indikation, "Sa Bude, "att i regimen för picosekunder till tiotals picosekunder (pulser) kan du få samma typ av kvalitet och beteende i din laserskärning, borrnings- och rakningsfunktioner som du kan med dyrare lasrar som arbetar på mindre än en pikosekund. "Resultaten kan således leda till nya eller mer effektiva laserapplikationer inom industrin, nationellt försvar, medicin och många andra områden.