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.
这笔赠款为研究一种新型双脉冲激光烧蚀和等离子体放大(LAPA)工艺提供了资金,用于钻出直径随深度任意变化的非直线微孔,但许多重要应用越来越需要这种微孔。高效钻孔仍然是一个巨大的挑战,研究目标是(1)测试以下假设:在 LAPA 中,通过第二皮秒激光脉冲放大纳秒激光产生的等离子体可以实现受控和精确的材料去除。通过等离子体-侧壁相互作用形成微孔侧壁,并(2)了解与 LAPA 相关的基础物理。具体研究任务包括:(1)建立 LAPA 的实验装置(2)建立可以模拟的 LAPA 理论模型。 (3) 测量等离子体特性以验证模型并了解 LAPA 的基本物理过程。 (4) 在验证模型的指导下进行可行性实验研究。泵浦探针、快速成像和发射光谱技术将用于等离子体特性测量,非线性薛定谔方程和两温度流体动力学方程将被求解,并与分子动力学/蒙特卡罗模块结合起来模拟激光等离子体孔侧壁。 LAPA 是 PI 提出的一种新型制造工艺,其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产生)和微孔侧壁之间的相互作用。该项目将通过将多尺度建模与综合实验相结合,为 LAPA 的实际应用奠定坚实的科学基础。对一般意义上的激光-等离子体-材料相互作用的理解,这可能会改进其他现有的或激发新的激光和/或等离子体辅助制造工艺。

项目成果

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