Collaborative Research: A Novel Dual-Pulse Laser Ablation and Plasma Amplification (LAPA) Process for Drilling Non-straight Holes with Arbitrarily Varying Diameters

合作研究:用于钻任意不同直径的非直孔的新型双脉冲激光烧蚀和等离子体放大 (LAPA) 工艺

基本信息

  • 批准号:
    1266284
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 10.53万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2013
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2013-06-01 至 2016-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This grant provides funding to study a novel dual-pulse laser ablation and plasma amplification (LAPA) process for drilling non-straight microholes with diameters varying arbitrarily with depth. Such kinds of microholes have been increasingly needed by many important applications. However, their precise and efficient drilling still remains a big challenge. The research objectives are to (1) test the hypothesis that in LAPA the amplification of nanosecond-laser-generated plasma by a second picosecond laser pulse can realize controlled and precise material removal from a microhole sidewall through plasma-sidewall interactions and (2) understand the fundamental physics associated with LAPA. The specific research tasks include: (1) Establish an experimental set-up for LAPA. (2) Establish theoretical models for LAPA, which can simulate laser ablation and plasma generation, and laser-plasma-sidewall interactions. (3) Measure the plasma properties to verify the models and understand the fundamental physical processes in LAPA. (4) Perform a feasibility experimental study under the guidance of the verified models. The pump-probe, fast imaging and emission spectroscopy techniques will be used in plasma property measurements. The nonlinear Schrödinger equation and two-temperature hydrodynamic equations will be solved and coupled with a molecular dynamics/Monte Carlo module in modeling the laser-plasma-hole sidewall interactions during LAPA. LAPA is a novel manufacturing process proposed by the PI. Its essential physical process is the interaction among picosecond laser pulse, plasma (generated by a prior nanosecond laser pulse), and microhole sidewall, which has been rarely studied and is still poorly understood. This project will provide a good, fundamental understanding of this interaction by combining multiscale modeling with comprehensive experiments. The research work will build a solid scientific foundation crucial for LAPA's practical applications. It will also improve our understanding of laser-plasma-material interactions in the general sense, which may improve other existing or inspire new laser and/or plasma-assisted manufacturing processes.
该赠款提供了研究新型的双脉冲激光消融和血浆扩增(LAPA)过程,用于钻孔的非直径微孔,直径随着深度而随意变化。许多重要的应用都越来越需要这种微孔。但是,他们的精确钻探仍然是一个巨大的挑战。研究目的是(1)检验以下假设:在LAPA中,第二次皮秒激光脉冲可以通过等离子壁相互作用从微孔侧壁上删除纳米激光生成的等离子体,并通过质量侧面的相互作用进行控制和精确的材料去除,并且(2)了解与LaPA相关的基本物理学。具体的研究任务包括:(1)为LAPA建立实验设置。 (2)建立LAPA的理论模型,该模型可以模拟激光消融和等离子体产生,以及激光 - 质量 - 斜面相互作用。 (3)测量血浆特性,以验证模型并了解LAPA中的基本物理过程。 (4)在经过验证模型的指导下进行可行性实验研究。泵探针,快速成像和发射光谱技术将用于等离子体性能测量。非线性schrödinger方程和两个温度的流体动力方程将被求解,并与分子动力学/蒙特卡洛模块结合在LAPA期间对激光 - 血浆孔 - 孔侧面相互作用进行建模。 LAPA是PI提出的新型制造过程。它的基本物理过程是皮秒激光脉冲,等离子体(由先前的纳秒激光脉冲生成)和微孔侧壁之间的相互作用,它们很少被研究,并且仍然很少了解。该项目将通过将多尺度建模与全面的实验相结合,从而为这种交互提供良好的基本了解。研究工作将为LAPA的实际应用建立一个扎实的科学基础。它还将在一般意义上提高我们对激光 - 材料相互作用的理解,这可能会改善其他现有或激发新的激光和/或等离子辅助制造过程。

项目成果

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