发现万亿分之一秒超短激光脉冲烧蚀的有效机制

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利用持续几皮秒的超短激光脉冲,劳伦斯利弗莫尔国家实验室研究人员发现了一种激光烧蚀的有效机制,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喷射出来。

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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焦耳以上的紫外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。

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12月28-29日,湖南大学国际青年学者岳麓论坛—机械与运载工程学院分论坛在机械与运载工程学院报告厅举行。来自加拿大麦克马斯特大学、英国曼彻斯特大学、西门菲莎大学、美国肯塔基大学、图卢兹大学的十余位青年学者围绕新能源、汽车安全、材料加工等机械与运载工程学术前沿和应用问题作了精彩的报告。机械与运载工程学院主要负责人、师生代表等参加论坛相关活动。爱荷华大学王叶青博士报告了;激光烧蚀在材料加工的应用以及数值模拟相关研究。介绍了激光烧蚀的定义,激光烧蚀在金属加工过程的应用,介绍了他们团队在对于金属铝的激光烧蚀中提出的FEA框架学说。这个框架对进行性表面衰退和激光热传导做出了解释,对烧蚀过程中的深度温度能够做出预测,这个框架已经被低激光环境下的数据所验证。克莱姆森大学许斌博士报告了;有机兰金循环在重型柴油机废气热能回收中的建模,控制和能量优化相关研究情况。他系统性讲解了兰金循环在废气热能回收中的建模,控制和能量优化。从现在油价较高,汽车co2排放量大,及对相关法律法规的介绍引入话题,介绍了目前内燃机废气回收研究的现状和背景。从数学建模,兰金循环系统实验台架的搭建,模型的实验验证,控制模型的建模和控制算法的搭建,控制算法的实验验证几方面展开介绍,通过对实验验证后的模型进行模拟,对系统的能量进行优化,达到目的。东京大学赵永华博士报告了;Challengethe limit of electrical maching through fundamentals and innovation on the processing technology研究情况。他介绍了电加工的分类及基本原理。重点介绍了一些关于EDM和ECM方式的基础经典研究,此外一些前沿的加工方式也被介绍,这些方式主要为了创新和拓展EDM和ECM的应用领域。主要包括由静电感应驱动的复合型EDM技术,低浓度的5轴电解液喷射机。加拿大麦克马斯特大学胡川博士报告了;提升瞬态性能的独立驱动自动驾驶汽车鲁棒路径跟踪控制相关研究情况。他提出基于四轮独立驱动装置来提高汽车的操纵灵活性和安全性,并介绍了设计的鲁棒的路径跟踪器。在考虑汽车运动控制过程中实际存在的具体问题,比如车身参数不确定性等,提出用若干新型的约束控制和瞬态控制策略来解决问题,通过高保真度的仿真验证了算法的可行性,通过实验验证了差动转向功能在自动驾驶容错控制中发挥的作用。滑铁卢大学黄岩君报告了其新能源与无人驾驶汽车相关研究情况,他从节能减排入手,讲解了车载空调系统的新能源动力系统的能量管理控制器研究,通过建模优化控制的过程来实现相关目的。第二部分是智能汽车路径规划方法研究与基于模型预测控制的路径跟踪控制策略。从路径规划与跟踪的角度向我们展示了智能汽车的发展趋势和方向,路基规划主要基于电阻网络的应用。德克萨斯农工大学马超博士报告了;金属和陶瓷材料的增材制造研究情况。在本次报告中以工业路线图为出发点,介绍了金属和陶瓷增材制造领域相关科普知识和最新研究进展,介绍了陶瓷和金属材料增材制造的工艺类别、实际应用、面临的挑战及解决办法,并以Binder Jetting为例,介绍增材制造中一种具体的工艺流程,系统地介绍了关于纳米颗粒复合、造粒、金属基纳米复合材料相关的研究工作。 英国曼彻斯特大学孙永乐博士报告了;多孔材料的细观结构表征与力学分析相关研究情况,系统性讲解了关于多孔材料的实验和建模方法、细观结构和准静态压缩的联系以及封闭气体动态压缩效应等结构表征和力学分析。以工程上的实际应用和建筑领域广泛存在的多孔结构为引线,对比2D和3D模型中多孔结构表征及力学分析的区别,介绍了多孔材料的模型建立和影响机制。 西门菲莎大学李雅颂博士报告了;干型高分子粘合材料在爬墙机器人中的应用研究情况。通过生物界普遍存在的干型粘合现象如壁虎依靠脚趾表皮纤维束灵活攀爬各类表面展开报告。介绍了干型粘合材料的的工作原理即通过范德华力与攀爬表面产生粘合力,而不需要依靠粘液粘附。根据这种干型粘合材料的工作原理,通过仿照生物干型粘合材料的可逆、可重复利用和快速黏贴的优点,开展了其关于人造干型粘合材料和双层干型粘合材料机器人等工作。她着重介绍课题组利用光刻技术制作出纳米级单层/双层纤维阵列结构并将其成功应用于六足爬行机器人的工作,该机器人可实现避障和跨越等动作,为爬行机器人的研究指明一条新的道路。清华大学胡跃强博士报告了;近场纳米光刻技术和热辅助磁记录技术研究情况。通过纳米光学的典型应用实例介绍了近场纳米光刻技术和热辅助磁记录技术的重要性,并指出当前该领域面临加工极限等科学难题。介绍了近几年相关的研究工作:近场光刻系统中等离子飞行头的仿真设计及加工;基于稀薄空气动力学原理实现等离子飞行头的纳米级的被动飞行,实现纳米级的近场条件;表面等离子透镜的设计加工及近场纳米加工技术的实现;热辅助磁记录技术中多物理场研究。英国莱斯特大学韩晓筱博士介绍了拉夫堡大学增材制造研究项目研究情况。从设备、加工方式、加工材料和应用等几方面介绍增材制造近期的研究成果,其中模块化设计和实时监测给增强制造提供更多新的可能。着重介绍目前团队在开展的研究项目包括3D打印皮肤、3D打印超材料和3D打印电路等。 英国华威大学魏晓军博士报告了;基于测量柔度的主动振动控制设计及其应用相关研究情况。系统地介绍了主动振动控制及其应用。结合生活实例详细介绍和解释分块解耦和质量阻尼单位矩阵等控制方面的知识。以人体结构动力学特性为切入点,分析了柔度特性下的振动控制设计和处理方法,对于柔度特性下的应用做了进一步的总结,对主动振动控制设计及其应用的发展做了更深层次的延伸和展望。

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的一部分。研究人员比较了在0.1 365游戏官方网站,~ 40j /cm2范围内355纳米和1064纳米激光波长的结果。

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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。

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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激光复杂得多。当试图理解皮秒激光处理时,用非常短的脉冲得到一些物理简化假设不再可靠。

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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。

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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。

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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》

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