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Ultrafast laser ablation of copper with GHz bursts: A numerical study on the effects of repetition rate, pulse number and burst fluence on ablation efficiency and heat-affected zone

通量 烧蚀 材料科学 脉冲持续时间 激光器 超短脉冲 光学 脉搏(音乐) 激光烧蚀 热的 脉冲重复频率 物理 电信 气象学 航空航天工程 探测器 工程类 计算机科学 雷达
作者
Xiao Ming Jia,Xin Zhao
出处
期刊:Optics and Laser Technology [Elsevier BV]
卷期号:158: 108803-108803 被引量:25
标识
DOI:10.1016/j.optlastec.2022.108803
摘要

• Ultrafast laser burst ablation is studied by an improved two-temperature model. • Effects of key factors in burst ablation on the ablation efficiency are analyzed. • Gigahertz ultrafast laser bursts improve the optimum ablation efficiency by 150%. • The burst fluence and duration determine the heat-affected zone thickness. • A theoretical model is proposed to predict the optimum burst ablation condition. Ultrafast laser burst ablation (ULBA) with high repetition rates up to GHz has emerged as a promising method for improving ablation efficiency and reducing heat-affected zone (HAZ). However, the effects of different laser parameters are not well understood. This article presents a numerical study by an improved two-temperature model on the influences of repetition rate, pulse number and burst fluence on ablation efficiency and HAZ in ULBA of copper. Due to thermal accumulation, increasing the repetition rate enhances the maximum ablation efficiency, by over 150% at 3456 MHz. Interestingly, large pulse numbers also assist this effect by extending the period of thermal accumulation. However, if the burst fluence is too low, increased pulse numbers will reduce the ablation efficiency due to insufficient pulse fluences. Burst duration and fluence are determined to have the greatest impact on HAZ thickness. To minimize HAZ, the burst duration needs to be short, by raising repetition rates or reducing pulse numbers, to decrease the thermal diffusion time. The dependences of ablation optimum and threshold fluences on pulse numbers and repetition rates are analyzed and summarized in simple formulae. This study unveils the impacts of laser parameters in ULBA and provides guidelines for ablation efficiency and HAZ optimization.
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