En utilisant des impulsions laser ultracourtes d'une durée de quelques picosecondes (milliardièmes de seconde), Des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont découvert un mécanisme efficace d'ablation au laser (enlèvement de matière) qui pourrait aider à ouvrir la voie à l'utilisation d'une énergie plus faible, lasers moins coûteux dans de nombreuses applications de traitement laser industriel.

La nouvelle méthode, rapporté dans un Journal de physique appliquée article publié en ligne, utilise une longueur d'onde courte, impulsions laser à haute fluence (énergie par unité de surface) pour générer des ondes de choc qui font fondre le matériau cible. Après le passage de l'onde de choc, la couche fondue est mise sous tension lors d'un processus dit de relaxation, conduisant finalement à l'éjection de matière par cavitation (croissance de bulles instable).

Les chercheurs ont utilisé une combinaison d'expériences et de simulations informatiques améliorées dans une gamme inexplorée d'énergies laser et de longueurs d'onde pour étudier l'ablation par impulsion laser picoseconde de l'aluminium, acier inoxydable et silicium. Leurs résultats montrent que les impulsions picosecondes ultraviolettes (UV) à des fluences supérieures à 10 joules par centimètre carré (J/cm2) peuvent éliminer plus de matière avec moins d'énergie que les impulsions de longueur d'onde plus longue.

"Nous avons découvert que cette gamme au-dessus de 10 joules par centimètre carré, notamment pour les impulsions laser UV, se comportait très différemment des fluences inférieures et des longueurs d'onde plus longues, " a déclaré Jeff Bude, NIF &Photon Science directeur adjoint principal adjoint pour la science et la technologie.

"Le taux d'enlèvement saute quand on dépasse les 10 joules par centimètre carré, et surtout pour la lumière UV, " Bude a déclaré. " En même temps, le saut dans l'élimination s'accompagne d'une augmentation de l'efficacité d'élimination - une réduction de la quantité d'énergie nécessaire pour éliminer un volume donné de matière.

"C'était vraiment intriguant pour nous; cela suggérait qu'il y avait peut-être un mécanisme différent en cours ici. Nous avons donc décidé que l'ablation au laser picoseconde constituerait un bon cas de test pour sonder la physique de l'ablation dans un régime qui n'était pas bien compris."

L'étude est considérée comme le premier examen complet du processus d'ablation au laser à impulsions picosecondes. Sélectionné comme « choix de l'éditeur » par le Journal de physique appliquée éditeurs, la recherche faisait partie d'une étude en cours de recherche et développement dirigée par un laboratoire (LDRD) sur la modification des matériaux par laser pulsé dirigée par Bude.

Les chercheurs ont comparé les résultats des longueurs d'onde laser de 355 nanomètres (UV) et 1, 064 nm (proche infrarouge) sur une plage de fluence de 0,1 à 40 J/cm2 et a constaté que les longueurs d'onde plus courtes amélioraient l'élimination de près d'un ordre de grandeur par rapport à l'élimination mesurée à 1, 064 nm. L'ablation au laser était beaucoup plus efficace à la longueur d'onde UV par rapport au proche infrarouge dans les trois matériaux.

Des simulations utilisant le code hydrodynamique de rayonnement HYDRA ont montré que l'augmentation de l'efficacité de l'ablation était due aux impulsions laser UV pénétrant plus profondément dans le panache ablatif et déposant de l'énergie plus près de la surface cible, ce qui a entraîné des chocs à plus haute pression, pénétration plus profonde de la masse fondue et élimination plus étendue en raison de la cavitation.

"Le mécanisme d'élimination - le chauffage par choc créant une masse fondue puis l'éliminant par cavitation - nécessite moins d'énergie pour éliminer le matériau que la vaporisation du matériau, " Bude a dit. " C'est l'explication pour laquelle c'est plus efficace. "

"Cette découverte a été vraiment facilitée par notre capacité unique de modélisation et de simulation ici au laboratoire, " a déclaré l'analyste de LLNL Wes Keller, auteur principal de l'article. "C'était un problème particulièrement difficile à modéliser car le processus de dépôt d'énergie laser était étroitement couplé à la réponse hydrodynamique du matériau, nécessitant un code unique comme HYDRA qui a cette capacité intégrée."

Réponse compliquée

À certains égards, la recherche consistait à transformer un défi en une opportunité. Peu de temps après le début de l'étude, les chercheurs ont réalisé que la réponse matérielle aux lasers picosecondes était beaucoup plus compliquée que si les lasers femtosecondes (quadrillionièmes de seconde) les plus courants avaient été utilisés.

"Lorsque vous essayez de comprendre le traitement laser picoseconde, certaines des hypothèses simplificatrices de la physique que vous obtenez avec des impulsions très courtes (femtosecondes) ne sont plus fiables, " a déclaré Bude. Plutôt que d'absorber simplement l'énergie laser et de la vaporiser, "le matériel bougeait, il évoluait dans le panache laser, ", a-t-il déclaré. Cela signifiait que les modèles devaient être modifiés pour tenir compte à la fois de l'hydrodynamique du matériau en fusion et des interactions entre l'impulsion laser et le plasma (gaz ionisé) dans le panache ablatif.

"Nous avions vraiment besoin de modéliser correctement l'interaction laser-plasma, " Bude a dit, « nous avons donc dû faire de nombreuses expériences créatives pour corriger certaines insuffisances du modèle. En fin de compte, nous avons pu identifier la physique essentielle de ce régime, et nous avons découvert que vous devez avoir un chauffage par choc pour créer une fonte d'une profondeur de l'ordre du micron. Et puis après avoir créé cette fonte profonde avec un chauffage par choc, vous avez besoin d'un mécanisme pour l'enlever, et nous avons découvert que ce mécanisme était la cavitation."

Une fois qu'ils ont réalisé que temporellement façonné, ou chronométré, les impulsions pourraient exploiter les instabilités dans le matériau fondu, les chercheurs ont pu utiliser des impulsions façonnées pour créer un moyen plus efficace d'éliminer la matière. "Nous avons pu tirer parti de cette compréhension pour effectuer le traitement laser d'une manière différente, " Bude a dit, « donc cela a en fait eu beaucoup d'avantages indirects, " dont certains seront détaillés dans des documents supplémentaires actuellement en préparation.

Les résultats suggèrent également que les lasers à impulsions picosecondes offrent plusieurs avantages par rapport aux lasers femtosecondes plus couramment utilisés en termes de coût, efficacité et contrôle des dommages. En outre, ils offrent des options pour une conversion de fréquence efficace pour une flexibilité de longueur d'onde.

"Il y a une indication, " Bude a dit, "que dans le régime de la picoseconde à des dizaines de picosecondes (impulsions), vous pouvez obtenir le même type de qualité et de comportement dans votre découpe laser, fonctions de perçage et de rasage que vous pourriez avec des lasers plus chers fonctionnant à moins d'une picoseconde. défense nationale, médecine et bien d'autres domaines.