High-Speed Laser Processing of Thin Single and Multi-Layer Films

Theoretical models are developed for the continuous-wave and pulsed laser incision and cut of thin single and multi-layer films. A one-dimensional steady-state model establishes the theoretical foundations of the problem by combining a power-balance integral with heat flow in the direction of laser motion. In this approach, classical modelling methods for laser processing are extended by introducing multi-layer optical absorption and thermal properties. The calculation domain is consequently divided in correspondence with the progressive removal of individual layers. A second, time-domain numerical model for the short-pulse laser ablation of metals accounts for changes in optical and thermal properties during a single laser pulse. With sufficient fluence, the target surface is heated towards its critical temperature and homogeneous boiling or "phase explosion" takes place. Improvements are seen over previous works with the more accurate calculation of optical absorption and shielding of the incident beam by the ablation products. A third, general time-domain numerical laser processing model combines ablation depth and energy absorption data from the short-pulse model with two-dimensional heat flow in an arbitrary multi-layer structure. Layer removal is the result of both progressive short-pulse ablation and classical vaporisation due to long-term heating of the sample. At low velocity, pulsed laser exposure of multi-layer films comprising aluminium-plastic and aluminium-paper are found to be characterised by short-pulse ablation of the metallic layer and vaporisation or degradation of the others due to thermal conduction from the former. At high velocity, all layers of the two films are ultimately removed by vaporisation or degradation as the average beam power is increased to achieve a complete cut. The transition velocity between the two characteristic removal types is shown to be a function of the pulse repetition rate. An experimental investigation validates the simulation results and provides new laser processing data for some typical packaging materials.

Dati geochimici ed ecologici di foraminiferi planctonici. Implicazioni paleoceanografiche in due aree chiave: Oceano Meridionale e Mare Mediterraneo.

La studio della distribuzione spaziale e temporale della associazioni a foraminiferi planctonici, campionati in zone con differente regime idrografico, ha permesso di comprendere che molte specie possono essere diagnostiche della presenza di diverse masse d’acqua superficiali e sottosuperficiali e di diversi regimi di nutrienti nelle acque oceaniche. Parte di questo lavoro di tesi si basa sullo studio delle associazioni a foraminiferi planctonici attualmente viventi nel Settore Pacifico dell’Oceano Meridionale (Mare di Ross e Zona del Fronte Polare) e nel Mare Mediterraneo (Mar Tirreno Meridionale). L’obiettivo di questo studio è quello di comprendere i fattori (temperatura, salinità, nutrienti etc.) che determinano la distribuzione attuale delle diverse specie al fine di valutarne il valore di “indicatori” (proxies) utili alla ricostruzione degli scenari paleoclimatici e paleoceanografici succedutisi in queste aree. I risultati documentano che la distribuzione delle diverse specie, il numero di individui e le variazioni nella morfologia di alcuni taxa sono correlate alle caratteristiche chimico-fisiche della colonna e alla disponibilità di nutrienti e di clorofilla. La seconda parte del lavoro di tesi ha previsto l’analisi degli isotopi stabili dell’ossigeno e del rapporto Mg/Ca in gusci di N. pachyderma (sin) prelevati da pescate di micro zooplancton (per tarare l’equazione di paleo temperatura) da un box core e da una carota provenienti dalla zona del Fronte Polare (Oceano Pacifico meridionale), al fine di ricostruire le variazioni di temperatura negli ultimi 13 ka e durante la Mid-Pleistocene Revolution. Le temperature, dedotte tramite i valori degli isotopi stabili dell’ossigeno, sono coerenti con le temperature attuali documentate in questa zona e il trend di temperatura è paragonabile a quelli riportati in letteratura anche per eventi climatici come lo Younger Dryas e il mid-Holocene Optimum. I valori del rapporto Mg/Ca misurato tramite due diverse tecniche di analisi (laser ablation e analisi in soluzione) sono risultati sempre molto più alti dei valori riportati in letteratura per la stessa specie. La laser ablation sembra carente dal punto di vista del cleaning del campione e da questo studio emerge che le due tecniche non sono comparabili e che non possono essere usate indifferentemente sullo stesso campione. Per quanto riguarda l’analisi dei campioni in soluzione è stato migliorato il protocollo di cleaning per il trattamento di campioni antartici, che ha permesso di ottenere valori veritieri e utili ai fini delle ricostruzioni di paleotemperatura. Tuttavia, rimane verosimile l’ipotesi che in ambienti particolari come questo, con salinità e temperature molto basse, l’incorporazione del Mg all’interno del guscio risenta delle condizioni particolari e che non segua quindi la relazione esponenziale con la temperatura ampiamente dimostrata ad altre latitudini.