Zpět
Inverse dependence of heat accumulation on pulse duration in laser surface processing with ultrashort pulses
| Citace: |
MOSKAL, D. MARTAN, J. HONNER, M. BALLARDIN BELTRAMI, C. KLEEFOOT, MJ. LANG, V. Inverse dependence of heat accumulation on pulse duration in laser surface processing with ultrashort pulses. INTERNATIONAL JOURNAL OF HEAT AND MASS TRANSFER, 2023, roč. 213, č. OCT 2023, s. nestránkováno. ISSN: 0017-9310
|
|---|---|
| Druh: | ČLÁNEK |
| Jazyk publikace: | eng |
| Anglický název: | Inverse dependence of heat accumulation on pulse duration in laser surface processing with ultrashort pulses |
| Rok vydání: | 2023 |
| Autoři: | Mgr. Denys Moskal Ph.D. , doc. Ing. Jiří Martan Ph.D. , prof. Ing. Milan Honner Ph.D. , Carlos Ballardin Beltrami , Ing. Max Jonathan Kleefoot , Ing. Vladislav Lang Ph.D. |
| Abstrakt CZ: | 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. |
| Abstrakt EN: | Laser pulse duration is one of the important parameters that is able to dramatically change ablation efficiency. Shorter laser pulse duration leads to deeper transport of absorbed energy in subsurface material layers. Ultra-fast and non-equilibrium processes are able to remarkably affect residual energy, which is accumulated in the deeper subsurface layers after ablation. On the other hand, undesirably high heat accumulation leads to material overheating with surface oxidation, appearance of liquid phase and, as a result, low processing quality. In this paper, the influence of laser pulse duration on the heat accumulation value was experimentally evaluated for the first time. Heat accumulation was measured with a highly sensitive fast infrared detector. The results were presented in comparison with surface structure analysis, material ablation rate and optical reflectivity. Unexpected inverse dependence of heat accumulation on laser pulse duration was detected. An optimal laser pulse duration near 1 ps corresponds to the maximum heat accumulation value and also highest ablation efficiency in contrast to longer laser pulses. The same optimal pulse duration value was detected for low frequency (250 kHz) and for high frequency (1 MHz) laser surface processing regimes. The maximum heat accumulation value was expected at the longest laser pulses. The results are discussed from the point of view of the two-temperature model. |
| Klíčová slova |
Zpět