利用持續幾皮秒(萬億分之一秒)的超短激光脈衝，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)研究人員發現了一種激光燒蝕(去除材料)的有效機制，這可能有助於在許多工業激光加工應用中使用低能量、低成本的激光。這項新技術發表在《應用物理學》(Journal of Applied Physics)上，利用短波長、高通量(單位面積能量)激光脈衝驅動衝擊波，熔化目標材料。衝擊波通過後，熔體層處於張力作用下，這一過程稱為弛豫，最終導致材料通過空化(不穩定的氣泡增長)噴射出來。
博科園-科學科普：研究人員將實驗和增強的計算機模擬相結合，在以前未探索的激光能量和波長範圍內，研究了皮秒激光脈衝燒蝕鋁、不鏽鋼和硅。發現表明，在每平方釐米10焦耳(J/cm2)以上的紫外(UV)皮秒脈衝可以用比長波長脈衝更少的能量去除更多物質。NIF &光子科學副首席副主任傑夫·佈德說：我們發現，這個範圍超過每平方釐米10焦耳，特別是對於紫外激光脈衝，與低通量和長波長的表現非常不同。當去除率超過每平方釐米10焦耳時，去除率就會躍升，特別是對於紫外光。
- 在皮秒脈衝激光燒蝕研究中使用的模型說明，該模型是在多物理輻射水動力代碼HYDRA中建立的。圖中所示為沿激光束中軸方向的一維模型，該模型用於研究材料響應，與三維幾何效應無關。圖片：Lawrence Livermore National Laboratory
與此同時，去除過程中的跳躍伴隨著去除效率的提高——去除給定體積的物質所需能量減少。這對我們來說真的很有趣，這表明這裡可能有一個不同的機制。所以皮秒激光消融將提供一個很好的測試案例，在一個尚未被很好理解的狀態下探測消融物理。這項研究被認為是對皮秒脈衝激光燒蝕過程的首次全面研究。該研究被《應用物理編輯》選為“編輯之選”，是由Bude領導的脈衝激光材料改性實驗室指導研究和開發(LDRD)的一部分。研究人員比較了在0.1 ~ 40j /cm2範圍內355納米(UV)和1064納米(近紅外)激光波長的結果。
發現較短的波長比測量到的1064納米激光波長的去除率提高了近一個數量級。在三種材料中，激光燒蝕在紫外波長下比近紅外燒蝕效率高許多倍。利用輻射流體動力學代碼HYDRA進行的模擬表明，燒蝕效率的提高是由於紫外激光脈衝深入燒蝕羽流，並將能量沉積在離目標表面更近的地方，從而導致更高的壓力衝擊、更深的熔體穿透和更廣泛的空化去除。這種去除機制（衝擊加熱產生熔體，然後通過空化去除熔體）需要的能量比材料的汽化更少，這就是為什麼它更有效率的原因。
該論文的第一作者、LLNL分析師韋斯·凱勒(Wes Keller)表示：我們實驗室獨特的建模和模擬能力確實促進了這一發現，這是一個特別具有挑戰性的問題，因為激光能量沉積過程與材料的水動力響應密切相關，需要一個獨特的代碼，像HYDRA，具有這種綜合能力。在某些方面，這項研究是一個將挑戰轉化為機遇的案例。研究開始後不久，研究人員發現，物質對皮秒激光的反應要比使用更常見的飛秒(千萬億分之一秒)激光復雜得多。當試圖理解皮秒激光處理時，用非常短的(飛秒)脈衝得到一些物理簡化假設不再可靠。
這種物質不是簡單地吸收激光能量並蒸發，而是在激光羽流中演化。這意味著必須對模型進行調整，以同時考慮熔融物質的流體動力學和激光脈衝與燒蝕羽流中的等離子體(電離氣體)之間的相互作用。需要正確地模擬激光與等離子體的相互作用，所以我們不得不做很多創造性的實驗來彌補模型中的一些不足。最終能夠確定這一體系的基本物理性質，發現必須有激波加熱才能產生微米深的熔體。然後，當用激波加熱創造出這種深熔體後，需要一個機制來移除它，發現這個機制就是空化。
一旦意識到時間形狀的脈衝可以利用熔融材料的不穩定性，研究人員就能利用形狀脈衝創造出一種更有效去除材料的方法。能夠利用這一認識，以一種不同的方式進行激光處理。因此，它實際上有很多附帶的好處。結果還表明，皮秒脈衝激光器在成本、效率和損傷控制方面優於常用的飛秒激光器。此外，它們還提供了波長靈活性的有效頻率轉換選項。有一些跡象表明，在皮秒到幾十皮秒(脈衝)的情況下，可以在激光切割、鑽孔和剃鬚功能中獲得與更昂貴激光在皮秒以下工作時相同的質量和性能。這一發現將為激光在工業、國防、醫藥和許多其他領域的應用帶來新的或更有效的前景。
博科園-科學科普｜研究/來自: 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室/Breanna Bishop
參考期刊文獻:《應用物理學報》
DOI: 10.1063/1.5080628
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