Inverse dependence of heat accumulation on pulse duration in laser surface processing with ultrashort pulses

Abstract

Délka laserového pulzu je jedním z důležitých parametrů, který je schopen dramaticky změnit účinnost ablace. Kratší doba trvání laserového pulzu vede k hlubšímu transportu absorbované energie v podpovrchových vrstvách materiálu. Ultrarychlé a nerovnovážné procesy dokážou pozoruhodně ovlivnit zbytkovou energii, která se po ablaci akumuluje v hlubších podpovrchových vrstvách. Na druhé straně nežádoucí vysoká akumulace tepla vede k přehřívání materiálu s povrchovou oxidací, vznikem kapalné fáze a v důsledku toho k nízké kvalitě zpracování. V tomto článku byl poprvé experimentálně hodnocen vliv délky laserového pulsu na hodnotu akumulace tepla. Akumulace tepla byla měřena vysoce citlivým rychlým infračerveným detektorem. Výsledky byly prezentovány v porovnání s analýzou struktury povrchu, rychlostí ablace materiálu a optickou odrazivostí. Byla zjištěna neočekávaná inverzní závislost akumulace tepla na délce laserového pulzu. Optimální trvání laserového pulsu blízko 1 ps odpovídá maximální hodnotě akumulace tepla a také nejvyšší účinnosti ablace na rozdíl od delších laserových pulsů. Stejná optimální hodnota trvání pulsu byla detekována pro nízkofrekvenční (250 kHz) a pro vysokofrekvenční (1 MHz) režimy laserového zpracování povrchu. Maximální hodnota akumulace tepla byla očekávána při nejdelších laserových pulzech. Výsledky jsou diskutovány z pohledu dvouteplotního modelu.