激光脉冲数就是发射几次激光吗,激光在中间层还是热层

2022-08-01 20:04:01 行业分析

　　使用持续数皮秒(万亿分之一秒)的超短激光脉冲，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员发现了一种有效的激光烧蚀(材料去除)机制，这可能有助于在许多工业激光加工应用中使用低能量和低成本的激光。这项新技术发表在《应用物理学》(应用物理杂志)。它使用短波长和高通量(单位面积能量)的激光脉冲来驱动冲击波并熔化目标材料。冲击波通过后，熔体层处于拉伸状态。这个过程被称为松弛，最终导致物质通过空化(不稳定的气泡生长)被喷射出来。　　

　　boko yuan-科普：研究人员通过结合实验和增强的计算机模拟，在以前未探索的激光能量和波长范围内，研究了皮秒激光脉冲对铝、不锈钢和硅的烧蚀。已经发现，具有超过10焦耳/平方厘米(J/cm2)的紫外(UV)皮秒脉冲可以用比长波长脉冲更少的能量去除更多的物质。NIF光子学科学副首席副主任杰夫巴德(Jeff Bud)说：我们发现这个范围超过了每平方厘米10焦耳，尤其是紫外激光脉冲，这与低通量和长波长的表现有很大不同。当去除速率超过10焦耳/平方厘米时，去除速率会发生跳跃，尤其是紫外线。　　

　　皮秒脉冲激光烧蚀研究中使用的模型表明，该模型建立在多物理辐射流体动力学程序HYDRA中。该图示出了沿激光束轴向的一维模型。该模型用于研究材料响应，与三维几何效应无关。图片：劳伦斯利弗莫尔国家实验室与此同时，去除过程的跳跃也伴随着去除效率的提高――去除一定体积物质所需的能量降低。这对我们来说真的很有趣，这表明这里可能有不同的机制。因此，皮秒激光消融将提供一个很好的测试案例，以探索消融物理在一个没有得到很好理解的状态。该研究被认为是首次对皮秒脉冲激光烧蚀过程的全面研究。本研究被《应用物理编辑》选为“编辑推荐”，是布德领导的脉冲激光材料改性实验室研发(LDRD)的一部分。研究人员比较了355纳米(紫外)和1064纳米(近红外)激光波长在0.1 ~ 40j /cm2范围内的结果。　　

　　发现较短波长的去除率比测量的1064 nm激光波长的去除率高近一个数量级。在这三种材料中，紫外波长的激光烧蚀比近红外烧蚀效率高许多倍。利用HYDRA流体动力学程序的模拟表明，烧蚀效率的提高是由于紫外激光脉冲的深烧蚀羽流和更靠近靶表面的能量沉积，导致更高的压力冲击、更深的熔体穿透和更宽的空化去除。这种去除机制(通过冲击加热产生熔体，然后通过空化去除)比材料蒸发需要更少的能量，这就是为什么它更有效。　　

　　论文第一作者、LLNL分析师韦斯凯勒(Wes Keller)表示：我们实验室独特的建模和模拟能力确实促成了这一发现，这是一个特别具有挑战性的问题，因为激光能量沉积过程与材料的流体动力学响应密切相关，需要一个独特的代码，像HYDRA一样，具有这种综合能力。在某些方面，这项研究是一个化挑战为机遇的案例。研究开始后不久，研究人员发现物质对皮秒激光的反应要比更常见的飞秒(十亿分之一秒)激光复杂得多。在试图理解皮秒激光加工时，用极短(飞秒)的脉冲得到一些物理上的简化假设已经不再可靠。　　

　　这种物质不只是吸收激光能量并蒸发，而是在激光羽流中演变。这意味着必须对模型进行调整，以考虑熔融材料的流体动力学以及烧蚀羽流中激光脉冲和等离子体(电离气体)之间的相互作用。正确模拟激光与等离子体的相互作用是很有必要的，所以我们要做很多创造性的实验来弥补模型中的一些不足。最后可以确定这个体系的基本物理性质，发现仅用冲击波加热就可以产生微米深的熔体。那么当这种深熔是冲击波加热产生的时候，就需要一种机制来去除，发现这种机制就是空化。　　

　　一旦意识到时间整形脉冲可以利用熔融材料的不稳定性，研究人员就可以使用整形脉冲来创建一种更有效的方法来去除材料。有了这些知识，激光加工可以用不同的方式进行。因此，它实际上有许多附带的好处。研究结果还表明，皮秒脉冲激光在成本、效率和损伤控制方面优于飞秒激光。此外，它们还为波长灵活性提供了有效的频率转换选项。有一些迹象表明，在皮秒到几十皮秒(脉冲)的情况下，可以　　

以在激光切割、钻孔和剃须功能中获得与更昂贵激光在皮秒以下工作时相同的质量和性能。这一发现将为激光在工业、国防、医药和许多其他领域的应用带来新的或更有效的前景。