Enhancement of laser material drilling using high-impulse multi-laser melt ejection

材料科学 激光器 激光打孔 通量 光学 激光加工 连续波 光纤激光器 激光切割 激光功率缩放 脉冲(物理) 光电子学 量子力学 物理 激光束
作者
Nan Shen,J. Bude,Sonny Ly,Wesley J. Keller,Alexander M. Rubenchik,Raluca A. Negres,Gabe Guss
出处
期刊:Optics Express [Optica Publishing Group]
卷期号:27 (14): 19864-19864 被引量:22
标识
DOI:10.1364/oe.27.019864
摘要

Laser drilling and cutting of materials is well established commercially, although its throughput and efficiency limit applications. This work describes a novel approach to improve laser drilling rates and reduce laser system energy demands by using a gated continuous wave (CW) laser to create a shallow melt pool and a UV ps-pulsed laser to impulsively expel the melt efficiency and effectively. Here, we provide a broad parametric study of this approach applied to common metals, describing the role of fluence, power, spot size, pulse-length, sample thickness, and material properties. One to two order-of-magnitude increases in the average removal rate and efficiency over the CW laser or pulsed-laser alone are demonstrated for samples of Al and stainless steel for samples as thick as 3 mm and for holes with aspect ratios greater than 10:1. Similar enhancements were also seen with carbon fiber composites. The efficiency of this approach exceeds published values for the drilling of these materials in terms of energy to remove a given volume of material. Multi-laser material removal rates, high-speed imaging of ejecta, and multi-physics hydrodynamic simulations of the melt ejection process are used to help clarify the physics of melt ejection leading to these enhancements. Our study suggests that these high-impulse multi-laser enhancements are due to both laser-induced surface wave instabilities and cavitation of the melt for shallow holes and melt cavitation and ejection for deeper channels.
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