Usando pulsos de laser ultracurtos com duração de alguns picossegundos (trilionésimos de segundo), Os pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) descobriram um mecanismo eficiente para ablação a laser (remoção de material) que pode ajudar a pavimentar o caminho para o uso de energia mais baixa, lasers menos dispendiosos em muitas aplicações de processamento de laser industrial.

O novo método, relatado em um Journal of Applied Physics artigo publicado online, usa comprimento de onda curto, pulsos de laser de alta fluência (energia por unidade de área) para gerar ondas de choque que derretem o material alvo. Após a passagem da onda de choque, a camada derretida é colocada sob tensão durante um processo conhecido como relaxamento, em última análise, levando à ejeção de material por cavitação (crescimento instável de bolhas).

Os pesquisadores usaram uma combinação de experimentos e simulações de computador aprimoradas em uma gama até então inexplorada de energias e comprimentos de onda do laser para estudar a ablação por pulso de laser de picossegundo de alumínio, aço inoxidável e silicone. Suas descobertas mostram que os pulsos de picossegundos ultravioleta (UV) em fluências acima de 10 joules por centímetro quadrado (J / cm2) podem remover mais material com menos energia do que os pulsos de comprimento de onda mais longo.

"Descobrimos que essa faixa acima de 10 joules por centímetro quadrado, particularmente para pulsos de laser UV, estava se comportando de maneira muito diferente do que fluências mais baixas e comprimentos de onda mais longos, "disse Jeff Bude, NIF &Photon Science vice-diretor associado principal de Ciência e Tecnologia.

"A taxa de remoção aumenta quando você vai além de 10 joules por centímetro quadrado, e especialmente para a luz ultravioleta, "Bude disse." Ao mesmo tempo, o salto na remoção é acompanhado por um aumento na eficiência da remoção - uma redução na quantidade de energia necessária para remover um determinado volume de material.

"Isso foi realmente intrigante para nós; sugeriu que talvez haja um mecanismo diferente acontecendo aqui. Portanto, decidimos que a ablação a laser de picossegundos seria um bom caso de teste para sondar a física da ablação em um regime que não era bem compreendido."

O estudo é considerado a primeira análise abrangente do processo de ablação a laser por pulso de picossegundo. Selecionado como uma "Seleção do Editor" pelo Journal of Applied Physics editores, a pesquisa foi parte de um estudo em andamento de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório (LDRD) sobre modificação de material a laser pulsado liderado por Bude.

Os pesquisadores compararam os resultados dos comprimentos de onda do laser de 355 nanômetros (UV) e 1, 064 nm (infravermelho próximo) ao longo de uma faixa de fluência de 0,1 a 40 J / cm2 e descobriu que os comprimentos de onda mais curtos aumentaram a remoção em quase uma ordem de magnitude sobre a remoção medida em 1, 064 nm. A ablação a laser foi muitas vezes mais eficiente no comprimento de onda UV em comparação com o infravermelho próximo em todos os três materiais.

Simulações usando o código hidrodinâmico de radiação HYDRA mostraram que o aumento na eficiência de ablação foi devido aos pulsos de laser UV penetrando mais profundamente na pluma ablativa e depositando energia mais perto da superfície alvo, que resultou em choques de alta pressão, penetração mais profunda do fundido e remoção mais extensa devido à cavitação.

"O mecanismo de remoção - aquecimento por choque criando um fundido e, em seguida, removendo-o com cavitação - requer menos energia para remover o material do que a vaporização do material, "Bude disse." Essa é a explicação de por que é mais eficiente. "

"Esta descoberta foi realmente facilitada por nossa capacidade única de modelagem e simulação aqui no Laboratório, "disse o analista Wes Keller do LLNL, autor principal do artigo. "Este foi um problema particularmente desafiador para modelar porque o processo de deposição de energia do laser estava intimamente associado à resposta hidrodinâmica do material, exigindo um código exclusivo como HYDRA que tenha essa capacidade integrada. "

Resposta complicada

De certa forma, a pesquisa foi um caso de transformar um desafio em uma oportunidade. Logo após o início do estudo, os pesquisadores perceberam que a resposta material aos lasers de picossegundo era bem mais complicada do que se os lasers mais comuns de femtosegundo (quatrilionésimos de segundo) tivessem sido usados.

"Quando você está tentando entender o processamento de laser de picossegundo, algumas das suposições simplificadoras da física que você obtém com pulsos muito curtos (femtossegundos) não são mais confiáveis, "Bude disse. Em vez de simplesmente absorver a energia do laser e vaporizar, "o material estava se movendo, estava evoluindo na nuvem de laser, ", disse ele. Isso significava que os modelos tiveram que ser ajustados para levar em conta a hidrodinâmica do material de fusão e as interações entre o pulso de laser e o plasma (gás ionizado) na pluma ablativa.

"Nós realmente precisávamos modelar a interação laser-plasma corretamente, "Bude disse, "então, tivemos que fazer muitos experimentos criativos para corrigir algumas inadequações no modelo. fomos capazes de identificar a física essencial deste regime, e descobrimos que é preciso ter aquecimento por choque para criar fusão com profundidade de mícron. E então, depois de criar este derretimento profundo com aquecimento de choque, você precisa de um mecanismo para removê-lo, e descobrimos que esse mecanismo era a cavitação. "

Uma vez que perceberam que temporariamente moldado, ou cronometrado, pulsos podem explorar as instabilidades no material derretido, os pesquisadores conseguiram usar pulsos modelados para criar uma maneira mais eficiente de remover material. "Pudemos alavancar esse entendimento para fazer o processamento a laser de uma maneira diferente, "Bude disse, "então, na verdade, teve muitos benefícios derivados, "alguns dos quais serão detalhados em documentos adicionais agora em preparação.

Os resultados também sugerem que os lasers de pulso de picossegundo oferecem várias vantagens em relação aos lasers de femtossegundo mais comumente usados ​​em termos de custo, eficiência e controle de danos. Além disso, eles oferecem opções para conversão de frequência eficiente para flexibilidade de comprimento de onda.

"Há alguma indicação, "Bude disse, "que no regime de picossegundo a dezenas de picossegundos (pulsos), você pode obter o mesmo tipo de qualidade e comportamento em seu corte a laser, funções de perfuração e corte que você faria com lasers mais caros operando a menos de um picossegundo. "As descobertas, portanto, podem levar a aplicações de laser novas ou mais eficientes na indústria, Defesa nacional, medicina e muitos outros campos.