本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是对该研究的学术报告：
该研究由Sungkwon Shin和Jaeyong Kim共同完成，研究机构为De&T Co., Ltd.，位于韩国京畿道乌山市。研究于2025年发表在《Scientific Reports》期刊上，文章标题为“Modeling Highly Efficient Femtosecond Laser Ablation of Aluminum for Cutting”。
该研究的主要科学领域为激光加工技术，特别是飞秒激光（femtosecond laser）在铝材料切割中的应用。铝作为二次电池制造中重要的集流体材料，其切割质量直接影响电池性能。传统的模具切割方法存在切边质量下降和毛刺生成的问题，且模具需要频繁更换，降低了生产效率。因此，研究团队旨在探索飞秒激光作为非接触式加工方法在铝切割中的应用，以提高切割效率和质量。
飞秒激光具有超短脉冲持续时间（300飞秒），能够在材料中实现冷烧蚀（cold ablation），即热损伤极小的加工过程。研究的目标是通过优化激光参数（如脉冲重复频率、激光能量密度等），提高铝材料的烧蚀效率，并开发多光束处理技术以抑制粒子屏蔽效应（particle shielding），从而进一步提升切割效率。
研究主要分为以下几个步骤：
实验设计与激光参数设置
研究使用了一台飞秒激光系统（Monaco 1035，Coherent），脉冲宽度为300飞秒，波长为1035纳米，最大输出功率为60瓦。实验对象为纯度99%、厚度100微米的纯铝片。激光通过f-theta透镜聚焦到样品表面，单光束处理时，光束半径为32微米；多光束处理时，激光通过衍射光学元件（diffractive optical element）分为8束，光束半径为8微米。
单光束烧蚀实验
实验在脉冲重复频率（frep）为50 kHz、100 kHz、200 kHz、500 kHz和1 MHz下进行，激光能量密度（f0）范围为0.40至2.35 J/cm²。通过测量烧蚀坑深度，计算烧蚀率（δl）。实验发现，当f0超过1 J/cm²时，烧蚀率随重复频率的增加而下降，这归因于粒子屏蔽效应。
多光束处理实验
为了抑制粒子屏蔽效应，研究团队采用多光束处理技术，将激光分为8束，重复频率降低至125 kHz，同时保持总激光能量密度和扫描速度不变。通过测量烧蚀槽深度，验证多光束处理的效率。
烧蚀槽形状的建模与分析
研究开发了分析模型，用于预测单光束和多光束处理下烧蚀槽的三维形状。模型基于高斯光束分布和烧蚀深度的抛物线方程，能够准确估计烧蚀槽的深度和锥角。
数据处理与分析
通过共聚焦激光扫描显微镜（confocal laser scanning microscope）和扫描电子显微镜（SEM）测量烧蚀深度和表面形貌。烧蚀率通过公式δl = l/nsta计算，其中l为烧蚀深度，nsta为脉冲数。体积烧蚀率（δv）通过公式δv = zc * dp * dh / nscan计算，其中zc为烧蚀深度，dp和dh分别为脉冲间距和扫描间距。
单光束烧蚀实验结果
实验表明，当f0超过1 J/cm²时，烧蚀率随重复频率的增加而下降。例如，在f0 = 2.35 J/cm²时，1 MHz下的烧蚀率比50 kHz下低约18%。这一现象归因于粒子屏蔽效应，即随着烧蚀材料体积的增加，粒子密度增加，导致后续脉冲的能量被部分吸收。
多光束处理实验结果
多光束处理显著提高了烧蚀效率。在f0 = 2.59 J/cm²时，体积烧蚀率比f0 = 1 J/cm²时高约3.4倍。通过多光束处理，烧蚀槽深度与扫描次数呈线性关系，平均烧蚀率为1.97微米/次，与模型预测值（2.14微米/次）吻合良好。
烧蚀槽形状的建模结果
开发的分析模型能够准确预测烧蚀槽的深度和锥角。例如，在f0 = 2.10 J/cm²时，烧蚀槽的锥角为30.5°，与实验结果一致。
该研究通过优化飞秒激光参数和多光束处理技术，显著提高了铝材料的烧蚀效率，并开发了准确预测烧蚀槽形状的分析模型。这些发现为二次电池制造中铝集流体的高效切割提供了重要参考。未来研究可进一步探索激光与阴极活性材料（如镍锰钴氧化物和磷酸铁锂）的相互作用，以开发适用于多层结构的综合切割方法。
重要发现
方法创新
研究对象的特殊性
研究还讨论了飞秒激光与其他波长激光的对比，强调了波长选择性对烧蚀效率和加工质量的影响。此外，研究团队提出了未来研究方向，包括激光与阴极活性材料的相互作用以及多光束处理与单光束处理的结合应用。