Utilizzando impulsi laser ultracorti della durata di pochi picosecondi (trilionesimi di secondo), I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno scoperto un meccanismo efficiente per l'ablazione laser (rimozione di materiale) che potrebbe aiutare a spianare la strada all'uso di energia più bassa, laser meno costosi in molte applicazioni di elaborazione laser industriale.

Il nuovo metodo, segnalato in a Giornale di Fisica Applicata documento pubblicato online, utilizza lunghezze d'onda corte, impulsi laser ad alta fluenza (energia per unità di area) per guidare le onde d'urto che fondono il materiale bersaglio. Dopo il passaggio dell'onda d'urto, lo strato fuso viene posto in tensione durante un processo noto come rilassamento, che alla fine porta all'espulsione di materiale attraverso la cavitazione (crescita instabile di bolle).

I ricercatori hanno utilizzato una combinazione di esperimenti e simulazioni al computer avanzate in una gamma inesplorata di energie e lunghezze d'onda laser per studiare l'ablazione a impulsi laser a picosecondi dell'alluminio, acciaio inossidabile e silicone. Le loro scoperte mostrano che gli impulsi di picosecondi ultravioletti (UV) a fluenze superiori a 10 joule per centimetro quadrato (J/cm2) possono rimuovere più materiale con meno energia rispetto agli impulsi di lunghezza d'onda più lunga.

"Abbiamo scoperto che questo intervallo superiore a 10 joule per centimetro quadrato, in particolare per impulsi laser UV, si comportava in modo molto diverso rispetto a fluenze inferiori e lunghezze d'onda più lunghe, "ha detto Jeff Bude, NIF &Photon Science vice direttore associato principale per Science &Technology.

"Il tasso di rimozione aumenta quando si superano i 10 joule per centimetro quadrato, e soprattutto per la luce UV, " Bude ha detto. "Allo stesso tempo il salto nella rimozione è accompagnato da un aumento dell'efficienza di rimozione, una riduzione della quantità di energia necessaria per rimuovere un dato volume di materiale.

"Questo è stato davvero intrigante per noi; ha suggerito che forse c'è un meccanismo diverso in corso qui. Quindi abbiamo deciso che l'ablazione laser a picosecondi avrebbe fornito un buon banco di prova per sondare la fisica dell'ablazione in un regime che non era ben compreso".

Si pensa che lo studio sia il primo sguardo completo al processo di ablazione laser a impulsi a picosecondi. Selezionato come "Editor's Pick" dal Giornale di Fisica Applicata editori, la ricerca faceva parte di uno studio in corso di ricerca e sviluppo diretto da laboratorio (LDRD) sulla modifica del materiale del laser pulsato guidato da Bude.

I ricercatori hanno confrontato i risultati delle lunghezze d'onda laser di 355 nanometri (UV) e 1, 064 nm (vicino infrarosso) su un intervallo di fluenza da 0,1 a 40 J/cm2 e ha scoperto che le lunghezze d'onda più corte miglioravano la rimozione di quasi un ordine di grandezza rispetto alla rimozione misurata a 1, 064nm. L'ablazione laser era molte volte più efficiente alla lunghezza d'onda UV rispetto al vicino infrarosso in tutti e tre i materiali.

Le simulazioni utilizzando il codice idrodinamico della radiazione HYDRA hanno mostrato che l'aumento dell'efficienza dell'ablazione era dovuto agli impulsi laser UV che penetravano più in profondità nel pennacchio ablativo e depositavano energia più vicino alla superficie del bersaglio, che ha provocato shock ad alta pressione, penetrazione del fuso più profonda e rimozione più ampia a causa della cavitazione.

"Il meccanismo di rimozione, il riscaldamento a shock che crea una fusione e poi la rimuove con la cavitazione, richiede meno energia per rimuovere il materiale rispetto alla vaporizzazione del materiale, " Bude ha detto. "Questa è la spiegazione del perché è più efficiente."

"Questa scoperta è stata davvero facilitata dalla nostra capacità unica di modellazione e simulazione qui al laboratorio, " ha affermato l'analista di LLNL Wes Keller, autore principale dell'articolo. "Questo è stato un problema particolarmente impegnativo da modellare perché il processo di deposizione dell'energia laser era strettamente associato alla risposta idrodinamica del materiale, richiedendo un codice univoco come HYDRA che abbia questa capacità integrata."

Risposta complicata

In un certo senso la ricerca è stata un caso di trasformare una sfida in un'opportunità. Poco dopo l'inizio dello studio, i ricercatori si sono resi conto che la risposta del materiale ai laser a picosecondi era molto più complicata che se fossero stati utilizzati i più comuni laser a femtosecondi (quadrillionesimi di secondo).

"Quando stai cercando di capire l'elaborazione laser a picosecondi, alcune delle ipotesi semplificatrici della fisica che si ottengono con impulsi molto brevi (femtosecondi) non sono più affidabili, " disse Bude. Invece di assorbire semplicemente l'energia del laser e vaporizzarla, "il materiale si muoveva, si stava evolvendo nel pennacchio laser, " ha detto. Ciò significava che i modelli dovevano essere modificati per tenere conto sia dell'idrodinamica del materiale in fusione che delle interazioni tra l'impulso laser e il plasma (gas ionizzato) nel pennacchio ablativo.

"Avevamo davvero bisogno di modellare correttamente l'interazione laser-plasma, " Bude ha detto, "quindi abbiamo dovuto fare molti esperimenti creativi per correggere alcune inadeguatezze nel modello. Alla fine, siamo stati in grado di identificare la fisica essenziale di questo regime, e abbiamo scoperto che devi avere un riscaldamento d'urto per creare una fusione profonda micron. E poi, dopo aver creato questa fusione profonda con il riscaldamento d'urto, hai bisogno di un meccanismo per rimuoverla, e abbiamo scoperto che quel meccanismo era la cavitazione".

Una volta che si sono resi conto che temporalmente modellato, o a tempo, impulsi potrebbero sfruttare le instabilità del materiale fuso, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare impulsi sagomati per creare un modo più efficiente per rimuovere il materiale. "Siamo stati in grado di sfruttare questa comprensione per eseguire la lavorazione laser in un modo diverso, " Bude ha detto, "quindi in realtà ha avuto molti vantaggi di spin-off, "alcuni dei quali saranno dettagliati in ulteriori documenti ora in preparazione.

I risultati suggeriscono anche che i laser a impulsi a picosecondi offrono numerosi vantaggi rispetto ai laser a femtosecondi più comunemente usati in termini di costi, efficienza e controllo dei danni. Inoltre, offrono opzioni per una conversione di frequenza efficiente per la flessibilità della lunghezza d'onda.

"C'è qualche indicazione, " Bude ha detto, "che nel regime da picosecondi a decine di picosecondi (impulsi) puoi ottenere lo stesso tipo di qualità e comportamento nel tuo taglio laser, funzioni di perforazione e rasatura che è possibile ottenere con laser più costosi che operano a meno di un picosecondo." I risultati potrebbero quindi portare a nuove o più efficienti applicazioni laser nell'industria, difesa nazionale, medicina e molti altri campi.