Ablazione laser

Il meccanismo di ablazione o rimozione di piccole porzioni di materiale dalla superficie è alla base di qualsiasi strutturazione dei materiali mediante tecnologia laser. A differenza di qualsiasi altro mezzo meccanico, l’utilizzo di un fascio laser permette di evitare qualunque forma di attività tribologica tra il materiale da strutturare e lo strumento applicato. 

Gli aspetti fisici da prendere in esame sono molteplici: proprietà ottiche del fascio laser, proprietà ottiche e termiche del materiale target. Il controllo di questi aspetti fisici permette di progettare un processo in grado di garantire il risultato richiesto dall’applicazione. 

La tecnologia laser maggiormente utilizzata per la strutturazione delle superfici è quella ad impulsi, ed il treno di impulsi viene rilasciato a bassa frequenza, riducendo lo stress termico indotto dai rapidi cicli di riscaldamento e raffreddamento del materiale. Gli impulsi a bassa repetition rate consentono il rilascio di una potenza media inferiore a parità di energia totale, evitando quindi l'accumulo di calore nel materiale.

Emerge quindi la necessità di padroneggiare i termini potenza ed energia. Ciò che investe la superficie di un materiale, quando un treno di impulsi viene lanciato da una sorgente laser, viene definito con il parametro fluenza dato dal rapporto tra l’energia dell’impulso e l’area investita dallo stesso:

dove w è la dimensione dello spot rilevabile sulla superficie, oltre il quale non è apprezzabile alcuna modifica morfologica e strutturale. 

Il meccanismo di ablazione da laser coinvolge l’assorbimento dell’impulso da parte degli elettroni nel materiale, generando uno stato di disequilibrio tra la nube elettronica ed il reticolo. L’energia assorbita dagli elettroni viene trasferita al reticolo cristallino, affinché si possa raggiungere l’equilibrio termico in un tempo definito electron-phonon relaxation time. Il tempo di trasferimento termico è dell’ordine di una decina di picosecondi. Il modello da applicare dipende fortemente dal tipo di laser impulsato applicato al processo di trattamento superficiale. 

In caso di processi di ablazione tramite sorgenti ad impulsi corti (laser nanosecondi), il modello è basato sul principio di conservazione dell’energia, assumendo che il 100% della radiazione venga assorbito e trascurando gli effetti di conduzione termica e sovra-riscaldamento del materiale e dei vapori prodotti. In questo caso, l’energia d’impulso viene trasferita al materiale fino al punto di evaporazione del materiale da processare. Nella pratica però un processo di questo tipo porta una serie di ripercussioni sul materiale processato, partendo dalla formazione di micro-cricche fino al deposito di materiale fuso in prossimità della zona di lavorazione, detto rifollamento.

Quando si utilizzano laser ad impulso ultra-corti (laser femtosecondi), il modello più appropriato è quello proposto da Chichkov . La larghezza d’impulso risulta essere così rapida che gli elettroni, su cui incide l’impulso, vengono eccitati istantaneamente dalla collisione elettrone – elettrone, e la loro temperatura raggiunge il picco in un tempo di circa 100 fs.

Il tempo di trasferimento termico risulta nettamente superiore alla durata d’impulso e, pertanto, il resto della struttura cristallina rimane fredda, e solo successivamente riceve energia attraverso un accoppiamento elettrone – fonone. Il transitorio che porta in sistema all'equilibrio termico è gestito da un modello detto “due temperature”.

È possibile trovare un buon accordo sperimentale per tutti i materiali, ed in basso viene riportato un diagramma su scala logaritmica della massa asportata [g] con le diverse sorgenti laser applicate su acciaio inossidabile.