Nanosecond pulsed excrmer laser mac

Nanosecond pulsed excrmer laser machining of
chemically vapour-deposrted diamond and
graphite
Part II Analysis and modelling
RICHARD WINDHOLZ, P.A. MOLIAN
Mechanical Engineering Department, Iowa State University, Ames, IA 50017, USA

Analysis of the experimental data presented in Part I of this paper and those available in the
literature revealed that the mechanism of material removal in laser machining of chemically
vapour-deposited diamond is a two-step process: diamond transforms to graphite, and
subsequently graphite sublimates. The energy fluence required for the formation of graphite
is much lower than its removal by sublimation, and both are sensitive to the wavelength of
the laser beam, the impurities present in the film and the environment during machining.
When a 248 nm excimer laser beam interacts with diamond, there is an energy loss of 20% by
reflection and 10% by transmission. The remaining 70% energy is used for heating the
diamond, converting diamond to graphite. and sublimating graphite. Graphite is removed
mostly by physical ablation and to some extent by chemical oxidation with the ambient.

A theoretical calculation based on bond strength estimates that the threshold energy
fluence for the ablation of diamond is 0.37 J cm ’ 2. The experimental energy fluence was
0.8J cm ’ 2. Experimental results on the material removal rates as a function of energy
fluence closely follow the Beer-Lambert equation, suggesting that physical ablation is the
determining mechanism. Temperature calculations showed that both diamond and graphite
tend to oxidize in a single laser pulse that contributes to the material removal.
1. Introduction
Laser machining of diamond is an area of consider - able technological importance for optical. Microelec - tronic and tribological applications. There exists a clear need to understand the underlying physical mechanisms by which the laser can efiectively bring out the benefits. In this paper. the excimer laser beamcdiamond interactions is first examined and then the threshold energy fluenoe for diamond ablation was calculated from fundamental principles. A detailed analysis is made of the results presented in Part I together with data front other investigators. In addi - tion. photochemical and thermal models of laser abla - tion are used to validate the experimental data and to predict the material removal mechanisms.
2. Excimer laser beam-diamond interactions
When a material is exposed to a sulficiently intense laser beam. an irreversible alteration of the material occurs. and this is called laser-induced breakdown. In a pure transparent dielectric such as diamond. The breakdown process begins with a sparse population of loosely bound electrons. Through various optical pro - cesses. these electrons are freed and energized by the large electric field of the laser pulse to the point that they produce more conduction electrons. Eventually resulting in a large charge build-up. The resulting solid-state plasma is highly absorbing. and channels energy from the light wave into the material lattice in the form of heat. Two different! mechanisms are ca- pable of generating the plasma: avalanche ionization and multiphoton ionization. In avalanche ionization. free electrons are given energy by the oscillating elec- tric field in the laser light. When the electrons gain sufficient energy, they knock additional electrons loose. The new electrons then are also given energy by the electric field. and an avalanche begins. soon form- ing a plasma. The plasma then transmits energy to the surrounding lattice. In multiphoton ionization. two or more photons are absorbed by an electron. The elec- tron then has sufficient energy to go to a higher atomic energy level or to leave the atom.
The pulse length plays an important role in the formation and effect of the plasma. The plasma is first initiated in the many impurities and crystal imperfec- tions in the satnple. "the pulse length is of picosecond duration. overlap ofthe individual microsites does not occur. resulting in less destruction than generated by nanosecond pulses. Also, for a given quantity of en- ergy. picosecond pulses generate higher electric fields.

Kết quả (Việt) 1:

Nanosecond xung excrmer laser gia công củavề mặt hóa học hơi-deposrted kim cương vàthan chìPhần II phân tích và mô hìnhRICHARD WINDHOLZ, PA MOLIANĐại học nhà nước Cục kỹ thuật cơ khí, Iowa, Ames, IA 50017, MỹPhân tích dữ liệu thử nghiệm trình bày trong phần I của bài báo này và những người có sẵn trong cácvăn học cho thấy rằng cơ chế cắt bỏ vật liệu trong laser gia công của hóa họchơi trầm tích kim cương là một quá trình hai bước: kim cương biến đổi để than chì, vàsau đó than chì sublimates. Fluence năng lượng cần thiết cho sự hình thành của than chìlà thấp hơn nhiều so với gỡ bỏ nó bởi thăng hoa, và cả hai đều rất nhạy cảm với các bước sóng củaCác chùm tia laser, các tạp chất hiện nay trong bộ phim và môi trường trong gia công.Khi tia laser excimer nm 248 tương tác với kim cương, có là một mất mát năng lượng của 20%sự phản ánh và 10% bởi truyền. 70% năng lượng còn lại được sử dụng cho hệ thống sưởi cáckim cương, chuyển đổi kim cương để than chì. và thăng hoa than chì. Than chì được lấy rachủ yếu là do vật lý cắt bỏ và một số mức độ của quá trình oxy hóa hóa học với các môi trường xung quanh.Một tính toán lý thuyết dựa trên sức mạnh trái phiếu ước tính rằng năng lượng ngưỡngFluence cho ablation kim cương là 0,37 J cm ' 2. Fluence năng lượng thử nghiệm0.8J cm ' 2. Thử nghiệm kết quả về tỷ giá cắt bỏ vật liệu như là một chức năng lượngFluence chặt chẽ theo phương trình bia-Lambert, gợi ý rằng cắt bỏ vật lý là cácviệc xác định cơ chế. Nhiệt độ tính toán cho thấy rằng cả hai kim cương và than chìcó xu hướng để ôxi hóa trong một xung laser duy nhất đóng góp để cắt bỏ vật liệu.1. giới thiệuGia công laser của viên kim cương là một khu vực xem xét - thể tầm quan trọng kỹ thuật cho quang học. Microelec - tronic và tribological ứng dụng. Có tồn tại một rõ ràng cần để hiểu các cơ bản cơ chế vật lý mà theo đó laser có thể efiectively đưa ra những lợi ích. Trong bài báo này. tương tác beamcdiamond laser excimer được kiểm tra đầu tiên và sau đó fluenoe năng lượng ngưỡng cho kim cương cắt bỏ đã được tính toán từ các nguyên tắc cơ bản. Một phân tích chi tiết được thực hiện của các kết quả trình bày một phần tôi cùng với dữ liệu phía trước các nhà điều tra. Trong g - tion. photochemical và nhiệt các mô hình của laser abla - tion được sử dụng để xác nhận dữ liệu thử nghiệm và dự đoán các cơ chế cắt bỏ vật liệu.2. excimer laser tia-kim cương tương tácKhi một vật liệu tiếp xúc với một tia laser cường độ cao sulficiently. sự thay đổi không thể đảo ngược của vật liệu xảy ra. và điều này được gọi là laser gây ra sự cố. Trong một tinh khiết trong suốt lưỡng điện chẳng hạn như kim cương. Quá trình phân tích bắt đầu với một dân số thưa thớt của các electron lỏng lẻo bị ràng buộc. Thông qua các quang pro - cesses. các electron được giải phóng và tràn đầy sinh lực nhờ điện trường lớn xung laser đến điểm mà họ sản xuất thêm dẫn điện tử. Cuối cùng dẫn đến một xây dựng lớn phí. Trạng thái rắn plasma kết quả là rất hấp thụ. và kênh năng lượng từ sóng ánh sáng vào lưới tài liệu ở dạng nhiệt. Hai khác nhau! cơ chế là ca-pable tạo ra plasma: thác ion hóa và ion hóa multiphoton. Ở thác ion hóa. điện tử tự do được năng lượng của trường elec-tric dao động trong ánh sáng laser. Khi các điện tử được đủ năng lượng, họ đánh bật các electron lỏng lẻo. Các điện tử mới sau đó cũng được đưa ra năng lượng nhờ điện trường. và bắt đầu một avalanche. sớm hình thức-ing một plasma. Plasma sau đó truyền năng lượng cho lưới xung quanh. Ở ion hóa multiphoton. hai hoặc nhiều hơn photon được hấp thụ bởi một điện tử. Elec-tron sau đó có đủ năng lượng để đi đến một mức độ năng lượng nguyên tử cao hơn hoặc để lại nguyên tử. Chiều dài xung đóng một vai trò quan trọng trong sự hình thành và có hiệu lực của plasma. Plasma được khởi xướng lần đầu tiên trong nhiều tạp chất và pha lê imperfec-tions trong satnple. "chiều dài xung là picosecond thời gian. chồng chéo của microsites cá nhân không xảy ra. kết quả là ít phá hủy hơn được tạo ra bởi nanosecond xung. Ngoài ra, đối với một số lượng nhất định của en-ta. picosecond xung tạo ra cao điện trường.