Materialabtrag künftig schneller und effzienter möglich

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Forscher analysieren Wechselwirkungen zwischen Laser und Material

Das Abtragen von Material mithilfe eines energiereichen Laserstrahls, die sogenannte Laser-Ablation, wird künftig schneller und effizienter möglich sein. Mit ultrakurzen Laserpulsen von wenigen Pikosekunden (Trillionstelsekunden) haben Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Kalifornien einen effizienten Mechanismus für die Laserablation entdeckt, der den Weg für den Einsatz von energieärmeren, kostengünstigeren Lasern in vielen industriellen Laserbearbeitungsanwendungen ebnen könnte. Kern der Versuche war ein Ultraviolett-Laser, der Billionstel Sekunden lange Pulse aussendet.

Das in einem am 26.02.2019 im Journal of Applied Physics unter dem Titel „Physics of picosecond pulse laser ablation“ online veröffentlichte neue Verfahren, verwendet kurzwellige Laserpulse mit hohem Einfluss (Energie pro Flächeneinheit), um Stoßwellen zu erzeugen, die das Zielmaterial schmelzen. Nach dem Durchlaufen der Stoßwelle wird die Schmelzschicht während eines so genannten Relaxationsprozesses unter Spannung gesetzt, was schließlich zum Auswurf von Material durch Kavitation (instabiles Blasenwachstum) führt.

– Foto © Gerhard Hofmann für Solarify

Die Forscher nutzten eine Kombination aus Experimenten und verbesserten Computersimulationen in einem bisher unerforschten Bereich von Laserenergien und Wellenlängen, um die Pikosekunden-Laserpulsablation von Aluminium, Edelstahl und Silizium zu untersuchen. Ihre Ergebnisse zeigen, dass ultraviolette (UV) Pikosekundenimpulse bei Fluenzen über 10 Joule pro Quadratzentimeter (J/cm2) mehr Material mit weniger Energie entfernen können als längerwellige Impulse.

„Wir haben festgestellt, dass sich dieser Bereich von mehr als 10 Joule pro Quadratzentimeter, insbesondere bei UV-Laserpulsen, ganz anders verhält als niedrigere Fluenzen und längere Wellenlängen“, sagt Jeff Bude, NIF & Photon Science Deputy Principal Associate Director for Science & Technology. NIF & Photon Science ist eine Hauptdirektion des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore, Kalifornien. Die Direktion betreibt die National Ignition Facility (NIF), den weltweit größten und energieeffizientesten Laser.

Die 192 Laserstrahlen des NIF erzeugen routinemäßig Temperaturen und Drücke, die denen ähneln, die nur in den Kernen von Sternen und Riesenplaneten sowie in Kernwaffen vorkommen. Die Anlage wird von der National Nuclear Security Administration (NNSA) des US-Energieministeriums finanziert und ist ein Schlüsselelement des Stockpile Stewardship Programms der NNSA, um die Zuverlässigkeit und Sicherheit der nuklearen Abschreckungsmittel der USA ohne umfassende Tests aufrechtzuerhalten.

„Die Entfernungsrate steigt, wenn man über 10 Joule pro Quadratzentimeter hinausgeht, und zwar vor allem für das UV-Licht“, sagte Bude. „Gleichzeitig geht der Sprung in der Abtragung mit einer Erhöhung der Abtragsleistung einher – eine Reduzierung des Energiebedarfs, um ein bestimmtes Materialvolumen abzutragen. „Das war wirklich faszinierend für uns; es schlug vor, dass hier vielleicht ein anderer Mechanismus vor sich geht. Also beschlossen wir, dass die Pikosekunden-Laserablation einen guten Testfall bieten würde, um die Abtragungsphysik in einem nicht gut verstandenen Regime zu untersuchen.“

Die Studie gilt als der erste umfassende Blick auf den Pikosekunden-Puls-Laserablationsprozess. Die Studie wurde von den Redakteuren des Journal of Applied Physics als „Editor’s Pick“ ausgewählt und war Teil einer laufenden Laboratory Directed Research and Development (LDRD)-Studie zur Modifikation von gepulstem Lasermaterial unter der Leitung von Bude.

Die Forscher verglichen die Ergebnisse der Laserwellenlängen von 355 Nanometern (UV) und 1.064 nm (Nahinfrarot) über einen Fluenzbereich von 0,1 bis 40 J/cm2 und fanden heraus, dass die kürzeren Wellenlängen die Entfernung um fast eine Größenordnung über die gemessene Entfernung bei 1.064 nm hinaus verbesserten. Die Laserablation war bei der UV-Wellenlänge um ein Vielfaches effizienter als das Nahinfrarot in allen drei Materialien.

Simulationen mit dem strahlungshydrodynamischen Code HYDRA zeigten, dass die Erhöhung der Ablationseffizienz darauf zurückzuführen ist, dass die UV-Laserpulse tiefer in die Ablationsfahne eindringen und Energie näher an der Zieloberfläche abscheiden, was zu höheren Druckschocks, tieferer Schmelzepenetration und umfangreicherer Entfernung durch Kavitation führte. „Der Entfernungsmechanismus – Schockerwärmung, die eine Schmelze erzeugt und diese dann mit Kavitation entfernt – benötigt weniger Energie, um Material zu entfernen, als die Verdampfung des Materials“, sagte Bude. „Das ist die Erklärung dafür, warum es effizienter ist.“

„Diese Entdeckung wurde durch unsere einzigartige Modellierungs- und Simulationsfähigkeit hier im Labor wirklich erleichtert“, sagte LLNL-Analyst Wes Keller, Hauptautor des Papiers. „Das war ein besonders herausforderndes Problem bei der Modellierung“, fügte er hinzu, „denn der Prozess der Laserenergieabscheidung war eng mit der hydrodynamischen Reaktion des Materials gekoppelt, was einen einzigartigen Code wie HYDRA erforderte, der diese integrierte Fähigkeit besitzt“.

Komplizierte Antwort

In gewisser Weise ging es bei der Forschung darum, eine Herausforderung in eine Chance zu verwandeln. Kurz nach Beginn der Studie stellten die Forscher fest, dass die Materialreaktion auf Pikosekundenlaser wesentlich komplizierter war, als wenn die gebräuchlichsten Femtosekundenlaser (Billiardstel Sekunden) verwendet worden wären.

„Wenn man versucht, die Pikosekunden-Laserbearbeitung zu verstehen, sind einige der vereinfachenden Annahmen der Physik, die man mit sehr kurzen (Femtosekunden-)Impulsen erhält, nicht mehr zuverlässig“, sagte Bude. Anstatt einfach die Laserenergie zu absorbieren und zu verdampfen, „bewegte sich das Material, es entwickelte sich in der Laserfahne“, sagte er. Dies bedeutete, dass die Modelle optimiert werden mussten, um sowohl die Hydrodynamik des Schmelzmaterials als auch die Wechselwirkungen zwischen dem Laserpuls und dem Plasma (ionisiertes Gas) in der Ablationsfahne zu berücksichtigen.

„Wir mussten die Laser-Plasma-Interaktion wirklich richtig modellieren“, sagte Bude, „also mussten wir viele kreative Experimente durchführen, um einige Unzulänglichkeiten im Modell zu beheben. Letztendlich konnten wir die wesentliche Physik dieses Regimes identifizieren, und wir entdeckten, dass man eine Schockerwärmung braucht, um eine mikrotiefe Schmelze zu erzeugen. Und dann, nachdem man diese tiefe Schmelze mit Schockerwärmung erzeugt hat, braucht man einen Mechanismus, um sie zu entfernen, und wir haben festgestellt, dass dieser Mechanismus Kavitation war.“

Nachdem sie erkannt hatten, dass zeitlich geformte oder getaktete Impulse die Instabilitäten im geschmolzenen Material ausnutzen könnten, waren die Forscher in der Lage, mit geformten Impulsen eine effizientere Methode zum Entfernen von Material zu entwickeln. „Wir konnten dieses Verständnis nutzen, um die Laserbearbeitung auf eine andere Art und Weise durchzuführen“, sagte Bude, „so dass es tatsächlich viele Spin-off-Vorteile hatte“, von denen einige in zusätzlichen Papieren, die derzeit in Vorbereitung sind, näher erläutert werden.

Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass Pikosekunden-Pulslaser mehrere Vorteile gegenüber den gebräuchlicheren Femtosekundenlasern in Bezug auf Kosten, Effizienz und Schadenskontrolle bieten. Darüber hinaus bieten sie Optionen für eine effiziente Frequenzumwandlung zur Wellenlängenflexibilität.

„Es gibt einige Anzeichen dafür,“ sagte Bude, „dass Sie im Bereich von Pikosekunden bis zu Dutzenden von Pikosekunden (Pulsen) die gleiche Qualität und das gleiche Verhalten beim Laserschneiden, Bohren und Rasieren erhalten können, wie bei teureren Lasern, die mit weniger als einer Pikosekunde arbeiten.“ Die Ergebnisse könnten somit zu neuen oder effizienteren Laseranwendungen in der Industrie, der nationalen Verteidigung, der Medizin und vielen anderen Bereichen führen.

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