Effect of irradiation geometry and pulse duration on laser damage thresholds of films on transparent substrates
本研究表明，透明基底上涂层的激光诱导损伤阈值受辐照几何结构和脉冲持续时间的强烈影响，揭示了与前侧热消融相比，利用飞秒脉冲进行背侧辐照通过光机械剥离实现涂层去除是一种更低能量密度的机制。
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想象一个这样的世界：通过一束光，就能移除历史悠久的窗户上那层脆弱的油漆，或是太阳能电池板上精确的涂层，而下方的玻璃本身却完好无损。这就是激光清洗与加工技术的愿景，这项技术被广泛应用于从修复古代艺术品到制造现代电子产品的各个领域。然而，寻找能够实现这一目标的恰当光能水平是一场微妙的平衡。如果光束太弱，则毫无反应；如果光束太强，玻璃本身就会开裂或破碎。几十年来，科学家们一直知道激光照射表面的方式至关重要。他们也知道，激光脉冲的长度——即光爆发的瞬间持续时间——会改变材料的反应方式。但关于这些因素如何相互作用的具体规则，尤其是当光线从背面射入玻璃而非从正面照射油漆时，在很大程度上仍不明确。
阿根廷光学研究中心（Centro de Investigaciones Ópticas）的研究人员致力于精确绘制这些规则。他们专注于两种截然不同的油漆类型：一种是吸收光的黑色油漆，另一种是反射光的铝制银色油漆。这两种油漆都被涂覆在玻璃片上。团队使用两种类型的激光脉冲对这些样本进行了测试：一种持续十亿分之一秒（纳秒），另一种则短一百万倍，仅持续一千万亿分之一秒（飞秒）。他们还测试了两种瞄准激光的方式：直接照射油漆（正面照射），以及穿过玻璃照射油漆层背面（背面照射）。为了精确测量油漆何时开始破损或剥离，他们使用了两种巧妙的检测方法。对于正面照射，他们通过倾听油漆反应的声音来进行，这种技术可以捕捉到物质被炸除时产生的微小声学冲击波。对于背面照射，由于声音会被玻璃阻隔，他们开发了一种新方法，通过拍摄受损部位的高分辨率照片来精确测量受影响的油漆量。
结果揭示了一个关于油漆易于移除程度的清晰且令人惊讶的等级制度。在每一种情况下，通过玻璃背面照射激光所需的能量都显著低于直接从正面照射。无论油漆是黑色还是银色，也无论激光脉冲的速度快慢，情况都是如此。研究人员发现，当光线从背面射入时，玻璃充当了一堵坚硬的墙。随着油漆在与玻璃接触的界面处迅速升温，它试图膨胀，却被固体基底阻挡。这种限制产生了巨大的压力，导致油漆发生剥落或碎裂，这一过程被称为“剥离”（spallation）。这种机械性的抬升发生在远低于仅从正面使油漆汽化的能量水平。事实上，这种背面剥离的阈值至少比正面移除的阈值低两倍。
激光脉冲的长度也起到了决定性作用，但其影响取决于光是如何照射表面的。在使用超短的飞秒脉冲时，研究人员发现油漆的光学特性完全不再重要。黑色油漆和闪亮的铝漆在移除时所需的能量完全相同。这是因为脉冲速度极快，能瞬间使材料表面电离，将其转化为等离子体，从而无论原始颜色是黑是银，都能同样好地吸收光线。然而，在使用较长的纳秒脉冲时，情况发生了变化。黑色油漆所需的能量比铝漆少约百分之三十。在这一较慢的机制中，光线有时间与材料的自然颜色发生相互作用；黑色油漆能高效吸收能量，而闪亮的铝则会反射掉大部分能量，因此需要更强的光束才能达到同样的效果。
对于实际应用而言，或许是最重要的发现是背面照射与飞秒脉冲的结合。这种特定的设置提供了所有方案中最低的能量阈值，为移除涂层提供了一条高效的路径，同时无需担心损坏下方的玻璃。该研究证实，通过使用这些超快脉冲从玻璃背面进行照射，可以用极少的能量剥离油层，从而避免了缓慢或正面照射方法中常见的热损伤问题。这种方法为那些需要清洁或修改透明表面的行业提供了一种更安全、更精确的工具，确保在将不需要的薄膜干净利落地剥离的同时，保持脆弱基底完好无损。
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