Utilizando pulsos de láser ultracortos que duran unos pocos picosegundos (billonésimas de segundo), Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han descubierto un mecanismo eficiente para la ablación con láser (eliminación de material) que podría ayudar a allanar el camino hacia el uso de energía más baja, Láseres menos costosos en muchas aplicaciones industriales de procesamiento láser.

El nuevo método informado en un Revista de física aplicada artículo publicado en línea, utiliza una longitud de onda corta, Pulsos láser de alta fluencia (energía por unidad de área) para impulsar ondas de choque que derriten el material objetivo. Después del paso de la onda de choque, la capa de masa fundida se pone bajo tensión durante un proceso conocido como relajación, finalmente conduce a la expulsión de material a través de la cavitación (crecimiento de burbujas inestable).

Los investigadores utilizaron una combinación de experimentos y simulaciones por computadora mejoradas en un rango previamente inexplorado de energías láser y longitudes de onda para estudiar la ablación de pulso láser de picosegundos de aluminio. acero inoxidable y silicona. Sus hallazgos muestran que los pulsos de picosegundos ultravioleta (UV) con fluencias superiores a 10 julios por centímetro cuadrado (J / cm2) pueden eliminar más material con menos energía que los pulsos de longitud de onda más larga.

"Descubrimos que este rango por encima de los 10 julios por centímetro cuadrado, particularmente para pulsos de láser UV, se comportaba de manera muy diferente a fluencias más bajas y longitudes de onda más largas, "dijo Jeff Bude, Director adjunto principal adjunto de Ciencia y Tecnología de NIF &Photon Science.

"La tasa de eliminación aumenta cuando superas los 10 julios por centímetro cuadrado, y especialmente para la luz ultravioleta, "Dijo Bude." Al mismo tiempo, el salto en la remoción va acompañado de un aumento en la eficiencia de remoción, una reducción en la cantidad de energía requerida para remover un volumen dado de material.

"Eso fue realmente intrigante para nosotros; sugirió que tal vez hay un mecanismo diferente aquí. Así que decidimos que la ablación con láser de picosegundos proporcionaría un buen caso de prueba para investigar la física de la ablación en un régimen que no se entendía bien".

Se cree que el estudio es el primer análisis completo del proceso de ablación con láser de pulso de picosegundos. Seleccionado como "Selección del editor" por el Revista de física aplicada editores, la investigación fue parte de un estudio en curso de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio (LDRD) sobre la modificación de materiales con láser pulsado dirigido por Bude.

Los investigadores compararon los resultados de longitudes de onda láser de 355 nanómetros (UV) y 1, 064 nm (infrarrojo cercano) en un rango de fluencia de 0,1 a 40 J / cm2 y descubrió que las longitudes de onda más cortas mejoraban la eliminación en casi un orden de magnitud sobre la eliminación medida en 1, 064 nm. La ablación con láser fue muchas veces más eficiente en la longitud de onda UV en comparación con el infrarrojo cercano en los tres materiales.

Las simulaciones que utilizan el código hidrodinámico de radiación HYDRA mostraron que el aumento en la eficiencia de la ablación se debía a que los pulsos de láser UV penetraban más profundamente en la pluma ablativa y depositaban energía más cerca de la superficie objetivo. que resultó en choques de mayor presión, penetración más profunda de la masa fundida y eliminación más extensa debido a la cavitación.

"El mecanismo de eliminación (calentamiento por choque que crea una masa fundida y luego la elimina con cavitación) requiere menos energía para eliminar el material que la vaporización del material, "Dijo Bude." Esa es la explicación de por qué es más eficiente ".

"Este descubrimiento fue realmente facilitado por nuestra capacidad única de modelado y simulación aquí en el laboratorio, "dijo el analista de LLNL Wes Keller, autor principal del artículo. "Este fue un problema particularmente difícil de modelar porque el proceso de deposición de energía láser estaba estrechamente relacionado con la respuesta hidrodinámica del material, requiriendo un código único como HYDRA que tenga esta capacidad integrada ".

Respuesta complicada

En cierto modo, la investigación consistió en convertir un desafío en una oportunidad. Poco después de que comenzara el estudio, los investigadores se dieron cuenta de que la respuesta material a los láseres de picosegundos era mucho más complicada que si se hubieran utilizado los láseres de femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo) más comunes.

"Cuando intentas comprender el procesamiento láser de picosegundos, Algunas de las suposiciones simplificadoras de la física que obtienes con pulsos muy cortos (femtosegundos) ya no son confiables, "Dijo Bude. En lugar de simplemente absorber la energía del láser y vaporizar, "el material se estaba moviendo, estaba evolucionando en la pluma láser, ", dijo. Esto significaba que los modelos tenían que ajustarse para tener en cuenta tanto la hidrodinámica del material de fusión como las interacciones entre el pulso láser y el plasma (gas ionizado) en la pluma ablativa".

"Realmente necesitábamos modelar correctamente la interacción láser-plasma, "Bude dijo, "así que tuvimos que hacer muchos experimentos creativos para corregir algunas deficiencias en el modelo. En última instancia, pudimos identificar la física esencial de este régimen, y descubrimos que es necesario un calentamiento por choque para crear un derretimiento de micrones de profundidad. Y luego, después de crear este derretimiento profundo con calentamiento por choque, necesita un mecanismo para eliminarlo, y descubrimos que ese mecanismo era la cavitación ".

Una vez que se dieron cuenta de que en forma temporal, o cronometrado, los pulsos podrían aprovechar las inestabilidades en el material fundido, los investigadores pudieron utilizar pulsos con forma para crear una forma más eficiente de eliminar material. "Pudimos aprovechar este conocimiento para realizar el procesamiento láser de una manera diferente, "Bude dijo, "por lo que en realidad tuvo muchos beneficios derivados, "algunos de los cuales se detallarán en documentos adicionales que se encuentran en preparación.

Los resultados también sugieren que los láseres de pulso de picosegundos ofrecen varias ventajas sobre los láseres de femtosegundos más comúnmente utilizados en términos de costo. eficiencia y control de daños. Además, ofrecen opciones para una conversión de frecuencia eficiente para la flexibilidad de la longitud de onda.

"Hay alguna indicación, "Bude dijo, "que en el régimen de picosegundos a decenas de picosegundos (pulsos) puede obtener el mismo tipo de calidad y comportamiento en su corte láser, funciones de perforación y afeitado que podría realizar con láseres más caros que funcionan a menos de un picosegundo ". Los hallazgos, por lo tanto, podrían conducir a aplicaciones de láser nuevas o más eficientes en la industria, defensa Nacional, medicina y muchos otros campos.