Gigahertz-Femtosekundenlaser eignen sich zur Verbesserung und Regulierung der Laserbearbeitungsqualität, um die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Materialien zu steuern. Materialwissenschaftler versuchen, die Laser-Material-Wechselwirkungen zu verstehen Gigahertz-Femtosekundenlaserobwohl das Verfahren aufgrund der damit verbundenen Ablationsdynamik aufwendig ist.
In einem neuen Bericht, der jetzt in veröffentlicht wurde Wissenschaftliche FortschritteMinok Park und ein Team von Wissenschaftlern aus den Bereichen Lasertechnologien und Maschinenbau an der University of California, Berkeley, untersuchten die Ablationsdynamik von Kupfer mithilfe von Gigahertz-Femtosekunden-Bursts über zeitaufgelöste streuende Abbildung, Emissionsbildgebung Und Emissionsspektroskopie.
Forscher haben mehrere Methoden kombiniert, um den Prozess von Gigahertz-Femtosekunden-Bursts aufzudecken, bei denen geschmolzenes Kupfer schnell von einer bestrahlten Stelle entfernt wurde, um Material auszustoßen. Der Prozess des Materialauswurfs wurde nach der Burst-Bestrahlung aufgrund der begrenzten Mengen an Restmaterie gestoppt, um Einblicke in die Mechanismen des komplexen Abtrags zu geben, der durch Gigahertz-Femtosekunden-Bursts ausgelöst wird, die zur Auswahl optimaler Laserbedingungen in Querschneideprozessen, Nano-/Mikro- Herstellung und Spektroskopie.
Gigahertz- und Femtosekunden-Laserablation
Die Laserablation ist ein Verfahren zum Abtragen von Material von Oberflächen durch das Zusammenwirken von Hochleistungslasern mit erheblicher Wirkung Energiegewinnung und -speicherung, Biomedizin, Optoelektronik Und Spektroskopie. Materialwissenschaftler haben erhebliche Kapazitäten erreicht, um einen direkten, einstufigen, chemikalienfreien Weg für die Materialbearbeitung und Ablationsprobenahme unter Verwendung von ultraschnellen Femtosekunden anzubieten Laserablation. Das Verfahren ist geeignet, die Ablationsmerkmale genau zu regulieren.
In dieser Studie entwickelten Park und Kollegen eine Vielzahl von Methoden, um die Dynamik der Laserablation in Echtzeit zu untersuchen. Sie untersuchten die Ablation von Kupfer mit einem Gigahertz-Femtosekunden-Laserpuls und verglichen die Ergebnisse mit der Femtosekunden-Pulsablation. Die kombinierten Verfahren führten zu einer schnellen Entfernung von geschmolzenem flüssigem Material, während die Materialentfernung nach Burst-Bestrahlung gestoppt wurde. Die Forscher erhielten direkte Einblicke in die Dynamik und den dominanten Mechanismus der Gigahertz-Ablation mit Femtosekunden-Pulsen.
Die ultrakurzen Laserexperimente
Während der Experimente verwendete das Team ein optisches System, um die Ablationsmechanismen von Kupfer mit einem einzelnen Femtosekunden-Laserpuls und Gigahertz-Femtosekunden-Bursts unter atmosphärischem Druck zu untersuchen. Anhand von zeitaufgelösten Streu- und Emissionsbildern visualisierten die Forscher lichtemittierende und nicht-emittierende Spezies. Sie charakterisierten die Kratermorphologie mit Weißlichtinterferometrie Und Rasterelektronenmikroskopie um eine makellose Kupferoberfläche bis zu einer Tiefe von 500 nm abzutragen. Die Wissenschaftler bemerkten das Auftreten unregelmäßiger, wiederverfestigter Strukturen an der bestrahlten Stelle. Die Ablationseffizienz der Gigahertz-Bursts wird durch Manifolds im Vergleich zur Einzelpulsbestrahlung verbessert.
Visualisierung des Ergebnisses
Das Forschungsteam beobachtete zeitaufgelöste Bilder, Emissionsspektren und Streubilder, um die Ablationsdynamik eines Einzelpuls-Femtosekundenlasers auf einer Kupferoberfläche zu untersuchen. Die Bilder zeigten den Ausstoß von zwei verschiedenen Partikeltypen aus dem Substrat, einschließlich derjenigen, die nach unterschiedlichen Zeitskalen freigesetzt wurden: (1) nach einer Verzögerung von 0–200 Nanosekunden und (2) diejenigen, die zwischen 300 Nanosekunden und 4 Mikrosekunden ausgestoßen wurden.
Die Forscher haben nachgeforscht Zeitaufgelöste Emissionsbildgebung und Spektroskopie neben Bildern von abgetragenen Schwaden, die durch Gigahertz-Bursts induziert wurden, die aus 50 Impulsen bestehen. Während der Experimente bemerkten sie kugelförmige Kupferplasmen für einen Zeitraum von 30 Nanosekunden.
Dynamik der Laserablation
Nach einem Zeitraum von 200 Nanosekunden beobachtete das Team keine Auswürfe im Zentrum der Laser-Materie-Wechselwirkungszone; was anzeigt, dass das Ziel nicht weiter abgetragen wurde. Dieses Verhalten unterschied sich deutlich von der Dynamik der Einzelpulsablation.
Das Team entwickelte zwei Mechanismen, die zum zugrunde liegenden Prozess des Materialausstoßes beitragen, darunter (1) die Verdampfung von Materialien in der Mitte und (2) der Ausstoß von Flüssigkeit vom Rand des geschmolzenen Beckens durch eine schnelle, radial nach außen gerichtete Flüssigkeitsbewegung, um den Rückstoßdruck zu erzeugen durch Verdampfung ausgeübt. Während die Kupfer-Nanopartikel vom Rand des Schmelzbeckens ausgestoßen wurden, blieb eine begrenzte Menge Flüssigkeit auf der Krateroberfläche gefrieren, was sie mit Rasterelektronenmikroskopie verifizierten.
Vergleichende Laserablationsdynamik
Die Wissenschaftler verwendeten zeitaufgelöste Emissionsbildgebung, Emissionsspektroskopie und Streubilder der Ablation, die von Gigahertz-Femtosekunden-Laserstößen angetrieben wurden. Als sie die Streubilder in einer Zeitskala von mehr als 300 Sekunden veröffentlichten, zeigten die Auswürfe, wie der Bestrahlungspunkt abkühlte, um die Materialentfernung zu verhindern.
Die Forscher verglichen die beiden experimentellen Bedingungen und untersuchten weiter die frühe Ablationsdynamik von Kupfer, das von Gigahertz-Bursts angetrieben wird, um deutlich unterschiedliche Ablationsdynamiken eines mit 200 Pulsen angesteuerten Gigahertz-Bursts im Vergleich zu dem Gigahertz-Burst mit 50 Pulsen festzustellen. Die Ergebnisse lieferten eine direkte Bestätigung der unterschiedlichen Mechanismen der Gigahertz-gesteuerten laserinduzierten Ablation im Vergleich zu Einzelpulsbestrahlung.
Ausblick
Auf diese Weise beobachteten Minok Park und Kollegen die Ablationsdynamik von Kupfer, indem sie einzelne Femtosekunden-Laserpulse und Gigahertz-Bursts mit 50–200 Pulsen über verwendeten Multimodale Untersuchungsmethoden. Die Einzelpuls-Femtosekunden-Laserbestrahlung erzeugte zwei Arten von Partikeln mit unterschiedlichen Ausstoßgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Zeitskalen.
Die Ergebnisse liefern Erkenntnisse für ein umfassendes Verständnis der Ablationsmechanismen, die Gigahertz-Femtosekunden-Bursts zugrunde liegen, die für die Erforschung einer Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Laserbearbeitung, maschinelle Bearbeitung, Drucken und spektroskopische Diagnostik von entscheidender Bedeutung sind.
Mehr Informationen:
Minok Park et al, Mechanismen der ultraschnellen GHz-Burst-fs-Laserablation, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf6397
Jan Kleinert et al, Ultraschnelle Laserablation von Kupfer mit ~GHz-Bursts, Laseranwendungen in der mikroelektronischen und optoelektronischen Fertigung (LAMOM) XXIII (2018). DOI: 10.1117/12.2294041
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