利用持续几皮秒(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)研究人员发现了一种激光烧蚀(去除材料)的有效机制，这可能有助于在许多工业激光加工应用中使用低能量、低成本的激光。这项新技术发表在《应用物理学》(Journal of Applied Physics)上，利用短波长、高通量(单位面积能量)激光脉冲驱动冲击波，熔化目标材料。冲击波通过后，熔体层处于张力作用下，这一过程称为弛豫，最终导致材料通过空化(不稳定的气泡增长)喷射出来。
博科园–科学科普：研究人员将实验和增强的计算机模拟相结合，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烧蚀铝、不锈钢和硅。发现表明，在每平方厘米10焦耳(J/cm2)以上的紫外(UV)皮秒脉冲可以用比长波长脉冲更少的能量去除更多物质。NIF &光子科学副首席副主任杰夫·布德说：我们发现，这个范围超过每平方厘米10焦耳，特别是对于紫外激光脉冲，与低通量和长波长的表现非常不同。当去除率超过每平方厘米10焦耳时，去除率就会跃升，特别是对于紫外光。
- 在皮秒脉冲激光烧蚀研究中使用的模型说明，该模型是在多物理辐射水动力代码HYDRA中建立的。图中所示为沿激光束中轴方向的一维模型，该模型用于研究材料响应，与三维几何效应无关。图片：Lawrence Livermore National Laboratory
与此同时，去除过程中的跳跃伴随着去除效率的提高——去除给定体积的物质所需能量减少。这对我们来说真的很有趣，这表明这里可能有一个不同的机制。所以皮秒激光消融将提供一个很好的测试案例，在一个尚未被很好理解的状态下探测消融物理。这项研究被认为是对皮秒脉冲激光烧蚀过程的首次全面研究。该研究被《应用物理编辑》选为“编辑之选”，是由Bude领导的脉冲激光材料改性实验室指导研究和开发(LDRD)的一部分。研究人员比较了在0.1 ~ 40j /cm2范围内355纳米(UV)和1064纳米(近红外)激光波长的结果。
发现较短的波长比测量到的1064纳米激光波长的去除率提高了近一个数量级。在三种材料中，激光烧蚀在紫外波长下比近红外烧蚀效率高许多倍。利用辐射流体动力学代码HYDRA进行的模拟表明，烧蚀效率的提高是由于紫外激光脉冲深入烧蚀羽流，并将能量沉积在离目标表面更近的地方，从而导致更高的压力冲击、更深的熔体穿透和更广泛的空化去除。这种去除机制（冲击加热产生熔体，然后通过空化去除熔体）需要的能量比材料的汽化更少，这就是为什么它更有效率的原因。
该论文的第一作者、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进了这一发现，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水动力响应密切相关，需要一个独特的代码，像HYDRA，具有这种综合能力。在某些方面，这项研究是一个将挑战转化为机遇的案例。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使用更常见的飞秒(千万亿分之一秒)激光复杂得多。当试图理解皮秒激光处理时，用非常短的(飞秒)脉冲得到一些物理简化假设不再可靠。
这种物质不是简单地吸收激光能量并蒸发，而是在激光羽流中演化。这意味着必须对模型进行调整，以同时考虑熔融物质的流体动力学和激光脉冲与烧蚀羽流中的等离子体(电离气体)之间的相互作用。需要正确地模拟激光与等离子体的相互作用，所以我们不得不做很多创造性的实验来弥补模型中的一些不足。最终能够确定这一体系的基本物理性质，发现必须有激波加热才能产生微米深的熔体。然后，当用激波加热创造出这种深熔体后，需要一个机制来移除它，发现这个机制就是空化。
一旦意识到时间形状的脉冲可以利用熔融材料的不稳定性，研究人员就能利用形状脉冲创造出一种更有效去除材料的方法。能够利用这一认识，以一种不同的方式进行激光处理。因此，它实际上有很多附带的好处。结果还表明，皮秒脉冲激光器在成本、效率和损伤控制方面优于常用的飞秒激光器。此外，它们还提供了波长灵活性的有效频率转换选项。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。
博科园-科学科普｜研究/来自: 劳伦斯利弗莫尔国家实验室/Breanna Bishop
参考期刊文献:《应用物理学报》
DOI: 10.1063/1.5080628
