I dag har ultraraske lasere (f.eks. pikosekund- og femtosekundlasere) blitt mye brukt innen materialvitenskap og ingeniørfag. Og fremgangen som er gjort innen forsterkningssystemer har i stor grad fremmet utviklingen av feltet for ultraraske lasere, noe som gir store fordeler for ulike bransjer (spesielt materialvitenskap).
Heldigvis har forskere vært i stand til å dra full nytte av ultraraske lasere for å endre egenskapene til ulike materialer. Med sin ultrahøye oppløsning og fordel med korte pulser, har ultraraske lasere blitt det beste valget for presist forsterkning av spesifikke applikasjoner.
Nylig har det vært en sterk interesse for bruk av ultraraske lasere for å generere nanoskalaparametere både innen forskning og kommersiell materialvitenskap. Det globale industrielle fokuset på miniatyrisering og fremveksten av nye produksjonsteknikker og verktøy, som ultraraske lasere, har resultert i at mindre, mer kompakte produkter produseres.
En fersk artikkel i tidsskriftet Nanophotonics bemerker at den mest avanserte metoden som brukes i industrien for å forme et bredt utvalg av materialer, spesielt faste stoffer, er å rette en høyenergi ultrarask laser til overflaten med tilstrekkelig intensitet til å stimulere og fjerne materialet.
I tillegg til den direkte ablasjonsprosessen, oppstår et annet struktureringsfenomen ved bruk av ultraraske lasere når overflaten er opphisset - dette innebærer å transformere overflatemorfologien til et regulært mønster med sub-bølgelengdeperiodisitet, kalt ultrarask laserindusert periodisk overflatestruktur.
Det opprinnelige konseptet, som var avgjørende for bulk nanostrukturering, innebar den såkalte "mikroeksplosjonen". Dette konseptet innebærer stimulering av et tett plasma med ultraraske lasere, noe som fører til utvikling av store elektrontrykk, sjokkbølger og sjeldne grunnstoffer på multi-millibar-nivåer. Nanoskalastrukturer realiseres ved presis fokusering av ultraraske lasere.
Bruksområdene for ultrarask laserpreparering av nanostrukturer er brede og varierte. De har høyytelsesevner innen optikk, mekanikk og biologi, spesielt når strukturene forekommer i det optiske bølgelengdeområdet – noe som kan tilskrives egenskaper knyttet til overflatemorfologi, spesifikke overflateegenskaper eller funksjonsstørrelser.
Ultraraske lasere: den eneste effektive måten å sveise keramikk på
Moderne produksjon er sterkt avhengig av sveising, men pålitelig keramisk sveising med konvensjonelle metoder er fortsatt et unnvikende mål. Den samme utmerkede motstanden mot høye temperaturer som gjør teknisk keramikk uunnværlig for mange utfordrende bruksområder, utgjør også betydelige utfordringer ved sammenføyning av keramikk.
En nylig artikkel publisert i tidsskriftet Science fremhever imidlertid fordelene med ultrarask lasersveising av keramikk. Den presise energileveransen levert av ultraraske lasere spiller en nøkkelrolle i additiv produksjon og har potensial til å være svært effektiv når det gjelder sammenføyning av keramikk. Spesielt har det vært vellykkede eksempler på sammenføyning av ulike typer glass med ultraraske lasere.
Noen av glassene som er vellykket sveiset med ultraraske lasere (f.eks. borosilikater) har lavere bruddseighet og termisk støtmotstand sammenlignet med typisk ingeniørkeramikk (f.eks. stabilisert zirkoniumoksyd og alumina). Evnen til å oppnå vellykket ultrarask lasersammenføyning i keramikk avhenger av laserens evne til å fokusere inne i materialet, noe som utløser ikke-lineære og multifotonabsorpsjonsprosesser som fører til lokalisert absorpsjon og smelting.
Forskere har utviklet en ny metode for ultrarask pulserende lasersveising. Teknikken fokuserer lys på et grensesnitt inne i keramikken, og skaper en optisk interaktør som stimulerer ikke-lineære absorpsjonsprosesser som fører til lokalisert smelting i stedet for ablasjon av den keramiske overflaten. Nøkkelfaktorene i denne forskningen er samspillet mellom lineære og ikke-lineære optiske egenskaper og den effektive koblingen av laserenergien til materialet.
Keramiske komponenter produsert ved hjelp av denne lasersveisemetoden opprettholder ikke bare høye vakuumforhold, men har også skjærstyrker som kan sammenlignes med metall-keramiske diffusjonsbindinger. Lasersveising tillater nå integrering av keramikk i enheter for bruk i tøffe miljøer, så vel som i pakker for optoelektronikk og elektronikk som krever åpenhet i det synlige radiospekteret.
Ultraraske lasere finner særlig allsidighet ved sveising av gjennomsiktig keramikk fordi de kan fokuseres gjennom materialet. Dette gjør at mer komplekse geometrier kan slås sammen i flere interaksjonsområder, og dermed utvide det potensielle sveisevolumet.
Ultraraske lasere for materialbehandling
Bruken av ultraraske lasere for materialbehandling har utviklet seg betraktelig det siste tiåret, med vitenskapelige, teknologiske og industrielle anvendelser som har blitt stadig tydeligere.
Innenfor ultraraske lasere for produksjon brukes lysenergi i pulser fra tett fokuserte femtosekund eller pikosekund ultraraske lasere og rettet til svært spesifikke steder i materialet. Dette oppnås gjennom to- eller multi-fotoneksitasjon, som skjer på en mye raskere tidsskala enn utvekslingen av termisk energi mellom lyseksiterte elektroner og gitterioner.
Forskere har nå oppnådd størst presisjon i å håndtere fotoionisering av ultraraske lasere og termiske prosesser, noe som muliggjør lokal fotomodifisering av områder mindre enn 100 nanometer.
Ultraraske lasere opererer vanligvis i kontinuerlig bølge (CW) eller pulserende moduser ved bølgelengder på 10 μm eller 1 μm og har allerede gitt betydelige bidrag innen bilindustrien, arkitektonisk og merking og merking, ifølge en artikkel publisert i tidsskriftet Light: Science og applikasjoner.
For eksempel spiller ultraraske lasere som femtosekund (fs) lasere en viktig rolle i applikasjoner som krever høy presisjon, spesielt når det kommer til overflater og bulkstrukturer av sprø og harde gjennomsiktige materialer. I tillegg viser ultraraske lasere som femtosekund-laserstrukturer seg å være svært effektive når kompositter og lagdelte materialer må struktureres intrikat på en kompleks 3D-måte.
Utfordringer i ultrarask laserbehandling
Bearbeiding og funksjonalisering av materialer med ultraraske lasere er en fascinerende prosess; Men som en fersk artikkel i Advanced Optical Technologies påpeker, er det noen utfordringer i prosessen som må overvinnes.
Mange moderne ultraraske lasere ablaterer til en dybde på bare noen få hundre nanometer. Dette betyr at et stort antall ultraraske laserpulser må rettes til et enkelt område for å fjerne materialet. I tillegg har Gaussiske ultraraske lasere i nyere studier vist seg å ha materialbehandlingseffektiviteter på opptil ca. 12 prosent – en effektivitetsprosent som åpner for mange nye muligheter for industrielle anvendelser av Gaussiske ultraraske lasere.
Behandlingsoptikk, en viktig komponent i ultraraske lasere, kan forårsake ikke-lineære effekter som endrer egenskapene til den utsendte pulsen. Dette kan påvirke parametere som pulsvarighet og spekteret til den ultraraske laseren. I ekstreme tilfeller kan den intense energien inne i optikken føre til ødeleggelse av målmaterialet av den ultraraske laseren.
Ultraraske lasere har et bredt spekter av bruksområder innen materialvitenskap. Med kombinasjonen av fremskritt innen kunstig intelligens-teknologi og big data-analyse, vil en mer pålitelig korrelasjon mellom prosess, struktur og ytelse forhåpentligvis etableres i ultraraske lasermaterialbehandlingsapplikasjoner innen materialvitenskap. Denne tilnærmingen forventes å forenkle bruken av ultraraske lasere i materialtilsetningsproduksjon, forbedre beregningsnøyaktigheten og gi et effektivt middel for å oppnå en rekke kommersielle mål.
