Lagrangian perspective on the expansion dynamics and shielding effect of femtosecond laser-induced copper plasma plumes

等离子体 飞秒 激光器 羽流 阴影照相术 电磁屏蔽 物理 原子物理学 材料科学 光学 核物理学 量子力学 热力学
作者
Ningwei Zhan,Lan Jiang,Tianyong Zhang,Yiling Lian,Baoshan Guo
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (4) 被引量:12
标识
DOI:10.1063/5.0196869
摘要

Femtosecond laser ablation of metals generates a strongly ionized plasma plume near the irradiated surface. The resulting plasma shielding effect can reduce subsequent laser energy deposition and lower nanomachining efficiency, especially during multi-pulse irradiation. Understanding the spatiotemporal evolution of the laser-induced plasma and its associated shielding effect is, therefore, crucial. A hybrid two-temperature and direct simulation Monte Carlo (TTM-DSMC) computational model is developed in this study, which synergistically couples the ultrafast laser–metal interaction physics and the plasma collisional transport. The model simulates the plasma properties including electron density, temperature dynamics, reflectivity, and energy attenuation throughout the plume expansion process from femtosecond to nanosecond timescales. A complex “penguin-shaped” plasma plume with internal shockwaves is observed due to the effects of double-pulse irradiation. Significantly enhanced plasma reflectivity and reduced laser energy deposition demonstrate the accumulated shielding effect, which increases with higher plasma density accumulation when the pulse separation is insufficient. Our model provides valuable theoretical guidance for optimizing processing parameters to enhance efficiency and precision in femtosecond laser machining. The integrated TTM-DSMC approach could also facilitate the study of laser-induced plasmas in other contexts like material characterization and nanoparticle synthesis.
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