Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektronik

Laserbohren von Metallen in Wasser: Ein Modell

Julio Auto

Das Laserbohren von Metallen in Wasser ist eine wichtige Methode zur Synthese von Nanopartikeln mit einstellbarer Größenverteilung und Morphologie, da es viele experimentelle Parameter (Energie, Frequenz, Wellenlänge, Impulsdauer, Impulszahl, Impulsbreite usw.) gibt, die die Eigenschaften der erhaltenen Nanopartikel bestimmen. Eine der wichtigsten von diesen Parametern abhängigen Größen ist das Kratervolumen, aus dem sich Konzentration und Durchmesser der erzeugten Nanopartikel bestimmen lassen. Diese Arbeit zeigt, dass sich das Gaußsche Profil der zum Bohren von Kratern verwendeten Laserimpulse in das Gaußsche Profil der erhaltenen Kratertiefe im Vergleich zum Radius projizieren lässt. Grundlage des Modells ist die Annahme, dass die Abhängigkeit der Fluenz von der Breite des Laserimpulses dieselbe mathematische Form hat wie die Abhängigkeit der Kratertiefe vom Kraterradius. Für diese Abhängigkeiten wurden entsprechende Gleichungen abgeleitet, die die Herleitung einer Formel für das Volumen eines Gaußschen Kraters ermöglichten. In dieser Arbeit werden zwei Methoden zur Bestimmung des Kratervolumens vorgestellt und zur Überprüfung der erhaltenen Ergebnisse verglichen. Die erste Methode basiert auf der Beobachtung von Kratern als stückweise abgeschnittene Kegel und der Summierung ihrer Volumina, um das vollständige Kratervolumen zu erhalten, während die zweite die Physik der Projektion von Gauß-Laserpulsen auf die Gauß-Form des Kraterprofils berücksichtigt, wobei die Parameter durch Anpassung des modifizierten Gauß-Profils an das Kraterprofil bestimmt werden. Durch Messung der Energie von Laserpulsen mithilfe einer Iris wurde die Taille des Laserpulses ω0 ermittelt , die weder vor noch nach der Fokussierung der Linse dem Taillenradius ω  des Kraters  entspricht . Ein Vergleich der Volumina von Kratern, die mithilfe optischer Mikroskopie gemessen wurden, und der mit modifizierter Gauß-Anpassung modellierten Krater zeigt eine Diskrepanz im Bereich von ±10  % für Ag, ±5  % für ZnO und ±15  % für Au. Das entwickelte Modell besagt, dass es 3 relevante Punkte für die vollständige Beschreibung des Kraters gibt, vorausgesetzt, dass er ein Gauß-Profil hat: Oberflächenradius R 0 , Tiefe D  und Gauß-Taille ω,  die dem Radius in 1 e 2  Tiefe entspricht. Ein Vergleich der Volumina von Kratern, die mit optischer Mikroskopie gemessen wurden, und der modellierten mit 3-Punkt-Gauß-Anpassung zeigt eine Diskrepanz im Bereich von ±10  % für Ag, ±15  % für ZnO und ±20 % für Au. Das Fluenzprofil von gaußschen Laserpulsen und die Flächen der aufeinanderfolgenden Kraterlöcher, die mit jedem Puls gebohrt werden, ermöglichen die Berechnung der im Krater deponierten Energie, wobei entscheidende Parameter die Ablationsschwelle eines gegebenen Metalls bei gegebener Wellenlänge und Pulsdauer sowie die auf das Metallziel einfallende Energie sind. Die erhaltenen Energien sind durch eine Untergrenze begrenzt, die der minimalen Energie entspricht, die zum Erhitzen, Schmelzen und Verdampfen einer gegebenen Masse des Metallziels benötigt wird, und eine Obergrenze, die als maximale auf das Metallziel einfallende Energie bei gegebener Anzahl von Laserpulsen angegeben ist. Der Unterschied zwischen der Energie der Obergrenze und der deponierten Energie entspricht der Wärmediffusion in die Kraterumgebung und der Strahlung des gezündeten Plasmas während der Laserablation.