У наш час надшвидкісні лазери (наприклад, пікосекундні та фемтосекундні лазери) знайшли широке застосування в галузі матеріалознавства та техніки. І прогрес, досягнутий у системах підсилення, значно сприяв розвитку галузі надшвидких лазерів, приносячи великі переваги різним галузям (особливо матеріалознавству).
На щастя, вчені змогли повністю використати переваги надшвидких лазерів для зміни властивостей різних матеріалів. Завдяки надвисокій роздільній здатності та перевагам короткого імпульсу надшвидкісні лазери стали найкращим вибором для точного посилення певних застосувань.
Останнім часом спостерігався великий інтерес до використання надшвидких лазерів для генерування нанорозмірних параметрів як у дослідницькому, так і в комерційному секторах матеріалознавства. Глобальна промислова увага до мініатюризації та поява нових виробничих технологій та інструментів, таких як надшвидкісні лазери, призвели до виробництва менших і компактніших продуктів.
Недавня стаття в журналі Nanophotonics зазначає, що найдосконаліший метод, який використовується в промисловості для формування широкого спектру матеріалів, особливо твердих тіл, полягає в тому, щоб спрямувати високоенергетичний надшвидкий лазер на її поверхню з достатньою інтенсивністю, щоб стимулювати та видаляти матеріал.
На додаток до прямого процесу абляції, під час збудження поверхні виникає ще одне явище структурування за допомогою надшвидких лазерів - це тягне за собою перетворення морфології поверхні в регулярний візерунок із субхвильовою періодичністю, що називається періодичною поверхневою структурою, спричиненою ультрашвидким лазером.
Оригінальна концепція, яка мала вирішальне значення для об’ємного наноструктурування, передбачала так званий «мікровибух». Ця концепція передбачає стимуляцію щільної плазми надшвидкими лазерами, що призводить до розвитку великих електронних тисків, ударних хвиль і рідкісних елементів на рівнях у кілька мілібарів. Нанорозмірні структури реалізуються за допомогою точного фокусування надшвидких лазерів.
Сфери застосування надшвидкого лазерного отримання наноструктур широкі та різноманітні. Вони мають високоефективні можливості в оптиці, механіці та біології, особливо коли структури виникають в оптичному діапазоні довжин хвиль, що можна віднести до властивостей, пов’язаних із морфологією поверхні, специфічними особливостями поверхні або розмірами елементів.
Надшвидкісні лазери: єдиний ефективний спосіб зварювання кераміки
Сучасне виробництво значною мірою покладається на зварювання, але надійне зварювання кераміки звичайними методами залишається недосяжною метою. Така ж чудова стійкість до високих температур, яка робить інженерну кераміку незамінною для багатьох складних застосувань, також створює значні проблеми при з’єднанні кераміки.
Проте нещодавня стаття, опублікована в журналі Science, підкреслює переваги надшвидкого лазерного зварювання кераміки. Точна доставка енергії, що забезпечується надшвидкими лазерами, відіграє ключову роль у адитивному виробництві та має потенціал для високоефективного з’єднання кераміки. Примітно, що були успішні приклади з’єднання різних типів скла за допомогою надшвидких лазерів.
Деякі скла, які успішно зварювали за допомогою надшвидких лазерів (наприклад, боросилікати), мають нижчу в’язкість до руйнування та стійкість до термічного удару порівняно з типовою технічної керамікою (наприклад, стабілізований діоксид цирконію та глинозем). Здатність досягти успішного надшвидкого лазерного з’єднання в кераміці залежить від здатності лазера фокусуватися всередині матеріалу, що запускає процеси нелінійного та багатофотонного поглинання, що призводить до локалізованого поглинання та плавлення.
Вчені розробили новий метод надшвидкого імпульсного лазерного зварювання. Техніка фокусує світло на поверхні розділу всередині кераміки, створюючи оптичний інтерактор, який стимулює процеси нелінійного поглинання, що призводить до локалізованого плавлення, а не до абляції керамічної поверхні. Ключовими факторами в цьому дослідженні є взаємодія між лінійними та нелінійними оптичними властивостями та ефективний зв’язок лазерної енергії з матеріалом.
Керамічні компоненти, виготовлені за допомогою цього методу лазерного зварювання, не тільки зберігають умови високого вакууму, але й демонструють міцність на зсув, порівнянну з дифузійними зв’язками металокераміки. Лазерне зварювання тепер дозволяє інтегрувати кераміку в пристрої для використання в суворих умовах, а також в корпуси для оптоелектроніки та електроніки, які вимагають прозорості у видимому радіоспектрі.
Надшвидкісні лазери знаходять особливу універсальність у зварюванні прозорої кераміки, оскільки вони можуть фокусуватися через матеріал. Це дозволяє з’єднувати більш складні геометрії в кількох областях взаємодії, таким чином збільшуючи потенційний об’єм зварювання.
Надшвидкісні лазери для обробки матеріалів
За останнє десятиліття використання надшвидких лазерів для обробки матеріалів значно розвинулося, дедалі очевиднішими стають наукові, технологічні та промислові застосування.
У сфері надшвидких лазерів для виробництва світлова енергія використовується в імпульсах від сильно сфокусованих фемтосекундних або пікосекундних надшвидких лазерів і спрямовується на дуже специфічні місця всередині матеріалу. Це досягається за допомогою дво- або багатофотонного збудження, яке відбувається в набагато більш швидкому масштабі часу, ніж обмін тепловою енергією між збудженими світлом електронами та іонами гратки.
Наразі вчені досягли найвищої точності в управлінні фотоіонізацією надшвидких лазерів і термічних процесів, уможливлюючи локалізовану фотомодифікацію областей розміром менше 100 нанометрів.
Згідно зі статтею, опублікованою в журналі Light: Science, надшвидкісні лазери зазвичай працюють у режимі безперервної хвилі (CW) або в імпульсному режимі з довжинами хвиль 10 мкм або 1 мкм і вже зробили значний внесок у галузі автомобільної промисловості, архітектури та маркування та маркування. і програми.
Наприклад, надшвидкісні лазери, такі як фемтосекундні (fs) лазери, відіграють важливу роль у додатках, що вимагають високої точності, особливо коли йдеться про поверхні та об’ємні структури з крихких і твердих прозорих матеріалів. Крім того, надшвидкісні лазери, такі як фемтосекундні лазерні структури, виявилися дуже ефективними, коли композити та шаруваті матеріали потребують складної структури у складному тривимірному вигляді.
Виклики надшвидкої лазерної обробки
Обробка та функціональність матеріалів за допомогою надшвидких лазерів — захоплюючий процес; однак, як зазначає нещодавня стаття в Advanced Optical Technologies, у цьому процесі є деякі проблеми, які необхідно подолати.
Багато сучасних надшвидкісних лазерів здійснюють абляцію на глибину лише кілька сотень нанометрів. Це означає, що велику кількість надшвидких лазерних імпульсів необхідно направити на одну ділянку, щоб видалити матеріал. Крім того, нещодавні дослідження показали, що гауссові надшвидкісні лазери мають ефективність обробки матеріалів приблизно до 12 відсотків - відсоток ефективності, який відкриває багато нових можливостей для промислового застосування гаусових надшвидких лазерів.
Оптика обробки, важливий компонент надшвидких лазерів, може викликати нелінійні ефекти, які змінюють характеристики випромінюваного імпульсу. Це може вплинути на такі параметри, як тривалість імпульсу та спектр надшвидкого лазера. У крайніх випадках інтенсивна енергія всередині оптики може призвести до руйнування матеріалу мішені надшвидким лазером.
Надшвидкісні лазери мають широкий спектр застосування в матеріалознавстві. Завдяки поєднанню прогресу в технологіях штучного інтелекту та аналітиці великих даних, ми сподіваємося, буде встановлено більш надійну кореляцію між процесом, структурою та продуктивністю в застосуваннях надшвидкої лазерної обробки матеріалів у матеріалознавстві. Очікується, що цей підхід спростить використання надшвидких лазерів у адитивному виробництві матеріалів, підвищить точність обчислень і забезпечить ефективний засіб для досягнення різноманітних комерційних цілей.
