V súčasnosti sú ultrarýchle lasery (napr. pikosekundové a femtosekundové lasery) široko používané v oblasti materiálovej vedy a inžinierstva. A pokrok dosiahnutý v zosilňovacích systémoch výrazne podporil rozvoj oblasti ultrarýchlych laserov, čo prináša veľké výhody rôznym odvetviam priemyslu (najmä materiálovej vede).
Našťastie vedci dokázali naplno využiť výhody ultrarýchlych laserov na zmenu vlastností rôznych materiálov. Vďaka svojmu ultra vysokému rozlíšeniu a výhode krátkych impulzov sa ultrarýchle lasery stali najlepšou voľbou pre presné posilnenie špecifických aplikácií.
V poslednej dobe existuje veľký záujem o oblasť využitia ultrarýchlych laserov na generovanie parametrov nanometrov v sektoroch výskumu aj komerčnej vedy o materiáloch. Globálne priemyselné zameranie na miniaturizáciu a vzostup nových výrobných techník a nástrojov, ako sú ultrarýchle lasery, viedli k výrobe menších a kompaktnejších produktov.
Nedávny článok v časopise Nanophotonics poznamenáva, že najpokročilejšou metódou používanou v priemysle na tvarovanie širokej škály materiálov, najmä pevných látok, je nasmerovanie vysokoenergetického ultrarýchleho lasera na jeho povrch s dostatočnou intenzitou na stimuláciu a odstránenie materiálu.
Okrem procesu priamej ablácie dochádza pri excitácii povrchu k ďalšiemu štruktúrnemu javu využívajúcemu ultrarýchle lasery – to znamená transformáciu morfológie povrchu na pravidelný vzor s periodicitou pod vlnovou dĺžkou, nazývaný ultrarýchla laserom indukovaná periodická štruktúra povrchu.
Pôvodný koncept, ktorý bol kľúčový pre hromadnú nanoštruktúru, zahŕňal takzvanú „mikroexplóziu“. Tento koncept zahŕňa stimuláciu hustej plazmy ultrarýchlymi lasermi, čo vedie k rozvoju veľkých tlakov elektrónov, rázových vĺn a vzácnych prvkov na úrovni niekoľkých milibarov. Štruktúry nanometrov sú realizované presným zaostrovaním ultrarýchlych laserov.
Oblasti použitia ultrarýchlej laserovej prípravy nanoštruktúr sú široké a rozmanité. Majú vysokovýkonné schopnosti v optike, mechanike a biológii, najmä ak sa štruktúry vyskytujú v rozsahu optických vlnových dĺžok - čo možno pripísať vlastnostiam súvisiacim s morfológiou povrchu, špecifickými vlastnosťami povrchu alebo veľkosťami prvkov.
Ultrarýchle lasery: jediný efektívny spôsob zvárania keramiky
Moderná výroba sa vo veľkej miere spolieha na zváranie, ale spoľahlivé keramické zváranie konvenčnými metódami zostáva nedosiahnuteľným cieľom. Tá istá vynikajúca odolnosť voči vysokým teplotám, vďaka ktorej je technická keramika nevyhnutná pre mnohé náročné aplikácie, predstavuje tiež značné výzvy pri spájaní keramiky.
Nedávny článok publikovaný v časopise Science však zdôrazňuje výhody ultrarýchleho laserového zvárania keramiky. Presná dodávka energie poskytovaná ultrarýchlymi lasermi hrá kľúčovú úlohu pri výrobe aditív a má potenciál byť vysoko efektívna pri spájaní keramiky. Pozoruhodné sú úspešné príklady spájania rôznych typov skla ultrarýchlymi lasermi.
Niektoré sklá, ktoré boli úspešne zvárané ultrarýchlymi lasermi (napr. borosilikáty), majú nižšiu lomovú húževnatosť a odolnosť voči tepelným šokom v porovnaní s typickou technickou keramikou (napr. stabilizovaný oxid zirkoničitý a oxid hlinitý). Schopnosť dosiahnuť úspešné ultrarýchle laserové spájanie v keramike závisí od schopnosti lasera sústrediť sa vo vnútri materiálu, čo spúšťa nelineárne a multifotónové absorpčné procesy vedúce k lokalizovanej absorpcii a taveniu.
Vedci vyvinuli novú metódu ultrarýchleho pulzného laserového zvárania. Táto technika sústreďuje svetlo na rozhranie vo vnútri keramiky a vytvára optický interaktor, ktorý stimuluje nelineárne absorpčné procesy vedúce k lokalizovanému taveniu, a nie k ablácii keramického povrchu. Kľúčovými faktormi v tomto výskume sú interakcia medzi lineárnymi a nelineárnymi optickými vlastnosťami a efektívna väzba laserovej energie na materiál.
Keramické komponenty vyrobené touto metódou laserového zvárania si nielen zachovávajú podmienky vysokého vákua, ale vykazujú aj pevnosť v šmyku porovnateľnú s kovokeramickými difúznymi spojmi. Laserové zváranie teraz umožňuje integráciu keramiky do zariadení na použitie v drsnom prostredí, ako aj do obalov pre optoelektroniku a elektroniku, ktoré vyžadujú transparentnosť vo viditeľnom rádiovom spektre.
Ultrarýchle lasery nachádzajú mimoriadnu všestrannosť pri zváraní transparentnej keramiky, pretože môžu byť zaostrené cez materiál. To umožňuje spájať zložitejšie geometrie vo viacerých interakčných oblastiach, čím sa rozširuje potenciálny objem zvárania.
Ultrarýchle lasery na spracovanie materiálov
Používanie ultrarýchlych laserov na spracovanie materiálov sa za posledné desaťročie značne rozvinulo, pričom vedecké, technologické a priemyselné aplikácie sú čoraz evidentnejšie.
V oblasti ultrarýchlych laserov na výrobu sa svetelná energia využíva v impulzoch z tesne zaostrených femtosekundových alebo pikosekundových ultrarýchlych laserov a smeruje do vysoko špecifických miest v materiáli. To sa dosahuje dvoj- alebo viacfotónovou excitáciou, ktorá prebieha v oveľa rýchlejšom časovom meradle ako výmena tepelnej energie medzi svetlom excitovanými elektrónmi a mriežkovými iónmi.
Vedci teraz dosiahli najväčšiu presnosť pri riadení fotoionizácie ultrarýchlych laserov a tepelných procesov, čo umožňuje lokalizovanú fotomodifikáciu oblastí menších ako 100 nanometrov.
Ultrarýchle lasery zvyčajne pracujú v kontinuálnych vlnách (CW) alebo pulzných režimoch pri vlnových dĺžkach 10 μm alebo 1 μm a podľa článku publikovaného v časopise Light: Science už významne prispeli v automobilovom priemysle, architektúre a v oblasti označovania a označovania. a Aplikácie.
Napríklad ultrarýchle lasery ako femtosekundové (fs) lasery hrajú dôležitú úlohu v aplikáciách vyžadujúcich vysokú presnosť, najmä pokiaľ ide o povrchy a objemové štruktúry krehkých a tvrdých priehľadných materiálov. Okrem toho sa ultrarýchle lasery, ako sú femtosekundové laserové štruktúry, ukázali ako veľmi účinné, keď kompozity a vrstvené materiály musia byť zložito štruktúrované komplexným 3D spôsobom.
Výzvy v ultrarýchlom laserovom spracovaní
Spracovanie a funkcionalizácia materiálov ultrarýchlymi lasermi je fascinujúci proces; ako však poukazuje nedávny článok v Advanced Optical Technologies, v tomto procese sú určité výzvy, ktoré treba prekonať.
Mnoho moderných ultrarýchlych laserov abluje do hĺbky len niekoľko stoviek nanometrov. To znamená, že veľké množstvo ultrarýchlych laserových impulzov musí smerovať do jednej oblasti, aby sa materiál odstránil. Okrem toho sa v nedávnych štúdiách ukázalo, že gaussovské ultrarýchle lasery majú účinnosť spracovania materiálu až okolo 12 percent – percento účinnosti, ktoré otvára mnoho nových možností pre priemyselné aplikácie gaussovských ultrarýchlych laserov.
Spracovateľská optika, dôležitá súčasť ultrarýchlych laserov, môže spôsobiť nelineárne efekty, ktoré menia charakteristiky emitovaného impulzu. To môže ovplyvniť parametre, ako je trvanie impulzu a spektrum ultrarýchleho lasera. V extrémnych prípadoch môže intenzívna energia vo vnútri optiky viesť k zničeniu cieľového materiálu ultrarýchlym laserom.
Ultrarýchle lasery majú široké uplatnenie v materiálovej vede. S kombináciou pokrokov v technológii umelej inteligencie a analýze veľkých dát sa snáď v ultrarýchlych aplikáciách spracovania laserových materiálov v materiálovej vede spoľahlivejšia korelácia medzi procesom, štruktúrou a výkonom. Očakáva sa, že tento prístup zjednoduší použitie ultrarýchlych laserov pri výrobe materiálov aditív, zlepší výpočtovú presnosť a poskytne účinný prostriedok na dosiahnutie rôznych komerčných cieľov.
