Skip to content
Home » Tijdsopgeloste studies onthullen de oorsprong van de ongeëvenaarde hoge efficiëntie van laserablatie van één nanoseconde in vloeistoffen

Tijdsopgeloste studies onthullen de oorsprong van de ongeëvenaarde hoge efficiëntie van laserablatie van één nanoseconde in vloeistoffen

    Tijdsopgeloste studies onthullen de oorsprong van de ongeëvenaarde hoge efficiëntie van laserablatie van één nanoseconde in vloeistoffen
    Tijdsopgeloste studies onthullen de oorsprong van de ongeëvenaarde hoge efficiëntie van laserablatie van één nanoseconde in vloeistoffen

    (a) Pump-probe microscopie setup voor de ablatie in water. Voor de analyse van het ablatieproces in lucht wordt geen cuvet gebruikt, verder is de opzet hetzelfde. (b) Beeldnabewerking van de drie opgenomen beelden. De beelden van het ongerepte oppervlak (R0), tijdens het ablatieproces (R(Δt)) en nadat het ablatieproces is voltooid (Rinf) werden gebruikt om de tijdelijke (ΔR/R0) en eindtoestand (ΔRinf/R0) relatief te berekenen. reflectiviteit veranderen. De rode gestippelde cirkels markeren het voorbijgaande laser-gemodificeerde gebied ΔA en het uiteindelijke laser-gemodificeerde gebied ΔAinf. Krediet: Compuscript Ltd

    Laserablatie in vloeistof is een schaalbare productiemethode voor nanodeeltjes op gebieden zoals katalyse en biogeneeskunde. Verschillende energiedissipatiekanalen, zoals absorptie door de vloeistof en verstrooiing bij de ablatiepluim en cavitatiebel, leiden tot verminderde laserenergie die beschikbaar is voor de productie van nanodeeltjes. Ultrakorte pulsduren veroorzaken ongewenste effecten. Een recent gepubliceerd onderzoek in in Opto-elektronische vooruitgangonderzocht pulsduurregimes van pico- tot nanoseconden en ontdekte dat pulsduren van ongeveer 1-2 ns de meest efficiënte laserablatie in vloeistof mogelijk maken.


    Laserablatie in vloeistof (LAL) is een veelzijdige methode voor het synthetiseren van nanodeeltjes (NP’s), waardoor de productie van ligandvrije colloïden mogelijk wordt. Vergeleken met chemisch gesynthetiseerde colloïden vertonen deeltjes gegenereerd door LAL een hogere signaal-ruisverhouding. Ze zijn geschikt als referentiemateriaal voor nanotoxicologische testen, maken de decoratie van microdeeltjes voor 3D-printen mogelijk en hebben een hoog potentieel in heterogene katalyse. Bovendien is het met LAL mogelijk om molaire fractiereeksen van gelegeerde NP’s te produceren van geperste micropoederdoelen, zelfs als er een mengkloof in de elementen bestaat.

    Hoewel door laser gegenereerde deeltjes voordelen vertonen ten opzichte van chemisch gesynthetiseerde NP’s, bieden slechts enkele commerciële distributeurs door laser gegenereerde NP’s. Een reden zou kunnen zijn dat LAL alleen economisch haalbaarder wordt dan chemische synthese voor nanodeeltjesproductiviteiten van meer dan 550 mg/u (voor goud). Hoge LAL-productiviteit kan alleen worden bereikt met krachtige picoseconde-lasersystemen (>200 W). De krachtige lasersystemen moeten werken met hoge herhalingsfrequenties van enkele MHz. Snelle polygoonscanners zijn nodig om het beschikbare laservermogen effectief te benutten. De complexiteit van het proces en de hoge investeringskosten verklaren waarom slechts enkele commerciële distributeurs LAL-gegenereerde NP’s aanbieden.

    Naast het opschalen van de productiviteit door het laservermogen te vergroten, vormt het zorgvuldig afstemmen van de laserpulsduur een andere route om het LAL-proces te optimaliseren. Nanoseconde LAL (ns-LAL) heeft vergelijkbare vermogensspecifieke ablatiesnelheden bereikt als picoseconde LAL (ps-LAL). Meestal worden echter ~ 10 ns-lasers gebruikt, terwijl slechts een paar publicaties de onderste pulsduurlimiet (~ 0,6 ns) onderzochten die holtelengte beperkte Q-geschakelde lasers leveren.

    In tegenstelling tot ablatie in lucht treden er tijdens LAL extra energieverliesmechanismen op. Deze mechanismen kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën. Een categorie vertegenwoordigt verliezen als gevolg van interacties tussen de laserpuls met de waterlaag. De andere categorie toont verliezen door interacties met geïnduceerde ablatiedynamiek. De mate van invloed van deze verliesmechanismen op de LAL-productiviteit hangt sterk af van de duur van de laserpuls.

    Optische afbraak in vloeistof treedt op wanneer de laserpuls een plasma genereert met een bepaalde kritische elektronendichtheid door middel van multifoton-ionisatie gevolgd door cascade-ionisatie. Het opkomende plasma absorbeert een groot deel van de pulsenergie (~ 50%). Alleen de trailing pulse edge ervaart plasmaabsorptie. Zo wordt een groter deel van de pulsenergie (~ 80%) overgedragen via het optische doorslagvolume.

    NP’s die in de vloeistof aanwezig zijn, kunnen de drempelvloeiing voor de optische afbraak van ns-pulsen aanzienlijk verlagen. LAL uitgevoerd met ultrakorte laserpulsen gaat vaak gepaard met niet-lineaire effecten. Wanneer de verliezen die worden veroorzaakt door niet-lineaire effecten en optische doorslag worden gecombineerd, kan tot 70% van de pulsenergie worden uitgedoofd voordat het het doeloppervlak bereikt. Verder zijn er pogingen om rekening te houden met het NP-concentratie-afhankelijke afschermingseffect.

    Het bleek dat de ablatie-efficiëntie sterk varieert, afhankelijk van de experimentele omstandigheden. De efficiëntie is maximaal voor lasersystemen die werken met een pulsduur van één nanoseconde in vergelijking met enkele ps of >5 ns. Er is geen mechanistische verklaring gegeven en er zijn ook geen enkele pulscondities toegepast. Benadrukt moet worden dat de optimale pulsduur van ~ 1 ns gemakkelijk beschikbaar is door Q-switching van laserresonatoren met korte holtes. Optimale LAL-verwerking is mogelijk mogelijk door gebruik te maken van goedkope Q-switched lasers, waardoor de hoge investeringskosten van mode-locked femto- en picoseconde lasers worden vermeden.

    Laserablatiesynthese van colloïden in vloeistoffen is een veelbelovende fabricagemethode voor nanomaterialen. Kort gepulseerde LAL met een pulsduur van ongeveer tien ns is even efficiënt als ultrakort gepulseerde LAL. In beide gevallen beperkt intra-pulsverzwakking veroorzaakt door de vloeistof of pluim, damp en cavitatiebel de efficiënte energiedepositie. De onderzoekers bepaalden karakteristieke afschermtijden, wat zich vertaalde in optimale duur van de laserpuls. De vermindering van afschermingseffecten tijdens de bestraling met laserpulsen verhoogt de waargenomen ablatie-efficiëntie voor 1 ns LAL van Au. Q-switched nanoseconde-lasers met beperkte holtelengte kunnen LAL naar een nog hogere efficiëntie brengen.


    Non-stop signaal bereikt in krachtige erbium-gedoteerde mid-infrarood lasers


    Informatie:
    Sarah Dittrich et al, Tijdsopgeloste studies onthullen de oorsprong van de ongeëvenaarde hoge efficiëntie van laserablatie van één nanoseconde in vloeistoffen, Opto-elektronische vooruitgang (2022). DOI: 10.29026/oea.2022.210053

    Geleverd door Compuscript Ltd

    citaten: Tijdsopgeloste studies onthullen de oorsprong van de ongeëvenaarde hoge efficiëntie van laserablatie van één nanoseconde in vloeistoffen (2022, 3 oktober), opgehaald op 3 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-reveal-unparalleled-high- efficiëntie-nanoseconde.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.