Obecnie ultraszybkie lasery (np. lasery pikosekundowe i femtosekundowe) są szeroko stosowane w dziedzinie inżynierii materiałowej i inżynierii materiałowej. Postęp w systemach wzmacniających znacznie przyczynił się do rozwoju dziedziny ultraszybkich laserów, przynosząc ogromne korzyści różnym gałęziom przemysłu (zwłaszcza materiałoznawstwu).
Na szczęście naukowcom udało się w pełni wykorzystać ultraszybkie lasery do zmiany właściwości różnych materiałów. Dzięki ultrawysokiej rozdzielczości i zaletom krótkiego impulsu ultraszybkie lasery stały się najlepszym wyborem do precyzyjnego wspomagania określonych zastosowań.
Ostatnio obserwuje się duże zainteresowanie wykorzystaniem ultraszybkich laserów do generowania parametrów w nanoskali, zarówno w sektorze badawczym, jak i komercyjnej materiałoznawstwie. Globalne skupienie przemysłu na miniaturyzacji oraz pojawienie się nowych technik i narzędzi produkcyjnych, takich jak ultraszybkie lasery, zaowocowało wytwarzaniem mniejszych, bardziej kompaktowych produktów.
W niedawnym artykule w czasopiśmie Nanophotonics zauważono, że najbardziej zaawansowaną metodą stosowaną w przemyśle do kształtowania szerokiej gamy materiałów, zwłaszcza ciał stałych, jest skierowanie na powierzchnię ultraszybkiego lasera o wysokiej energii z intensywnością wystarczającą do stymulacji i usunięcia materiału.
Oprócz procesu bezpośredniej ablacji, podczas wzbudzenia powierzchni zachodzi inne zjawisko strukturyzacji z wykorzystaniem ultraszybkich laserów - polega to na przekształceniu morfologii powierzchni w regularny wzór o okresowości poniżej długości fali, zwany ultraszybką okresową strukturą powierzchni indukowaną laserem.
Oryginalna koncepcja, kluczowa dla nanostrukturyzacji w masie, zakładała tzw. „mikroeksplozję”. Koncepcja ta zakłada stymulację gęstej plazmy ultraszybkimi laserami, co prowadzi do powstania dużych ciśnień elektronów, fal uderzeniowych i rzadkich pierwiastków na poziomach wielu milibarów. Struktury w skali nano powstają poprzez precyzyjne ogniskowanie ultraszybkich laserów.
Obszary zastosowań ultraszybkiej laserowej preparacji nanostruktur są szerokie i zróżnicowane. Mają duże możliwości w optyce, mechanice i biologii, zwłaszcza gdy struktury występują w optycznym zakresie długości fal, co można przypisać właściwościom związanym z morfologią powierzchni, specyficznymi cechami powierzchni lub rozmiarami cech.
Ultraszybkie lasery: jedyny skuteczny sposób na spawanie ceramiki
Nowoczesna produkcja opiera się w dużej mierze na spawaniu, ale niezawodne spawanie ceramiki konwencjonalnymi metodami pozostaje nieuchwytnym celem. Ta sama doskonała odporność na wysokie temperatury, która sprawia, że ceramika inżynieryjna jest niezbędna w wielu wymagających zastosowaniach, stwarza również poważne wyzwania podczas łączenia ceramiki.
Niedawny artykuł opublikowany w czasopiśmie Science podkreśla jednak zalety ultraszybkiego spawania laserowego ceramiki. Precyzyjne dostarczanie energii zapewniane przez ultraszybkie lasery odgrywa kluczową rolę w wytwarzaniu przyrostowym i może być bardzo skuteczne w łączeniu ceramiki. Warto zauważyć, że istnieją udane przykłady łączenia różnych rodzajów szkła za pomocą ultraszybkich laserów.
Niektóre szkła, które udało się zespawać ultraszybkimi laserami (np. borokrzemiany), mają niższą odporność na pękanie i szok termiczny w porównaniu z typową ceramiką inżynierską (np. stabilizowany tlenek cyrkonu i tlenek glinu). Zdolność do uzyskania skutecznego ultraszybkiego łączenia laserowego w ceramice zależy od zdolności lasera do skupienia się wewnątrz materiału, co uruchamia nieliniowe i wielofotonowe procesy absorpcji prowadzące do miejscowej absorpcji i topnienia.
Naukowcy opracowali nowatorską metodę ultraszybkiego spawania laserowego impulsowego. Technika ta skupia światło na granicy faz wewnątrz ceramiki, tworząc interaktor optyczny, który stymuluje nieliniowe procesy absorpcji prowadzące do miejscowego topnienia, a nie ablacji powierzchni ceramicznej. Kluczowymi czynnikami w tych badaniach są interakcja pomiędzy liniowymi i nieliniowymi właściwościami optycznymi oraz efektywne sprzężenie energii lasera z materiałem.
Elementy ceramiczne wytwarzane tą metodą spawania laserowego nie tylko utrzymują warunki wysokiej próżni, ale także wykazują wytrzymałość na ścinanie porównywalną z połączeniami dyfuzyjnymi metal-ceramika. Spawanie laserowe umożliwia obecnie integrację ceramiki z urządzeniami przeznaczonymi do użytku w trudnych warunkach, a także z pakietami dla optoelektroniki i elektroniki, które wymagają przezroczystości w zakresie widzialnego widma radiowego.
Ultraszybkie lasery znajdują szczególną wszechstronność w spawaniu przezroczystej ceramiki, ponieważ można je ogniskować w materiale. Umożliwia to łączenie bardziej złożonych geometrii w wielu obszarach interakcji, zwiększając w ten sposób potencjalną objętość spawania.
Ultraszybkie lasery do obróbki materiałów
W ciągu ostatniej dekady zastosowanie ultraszybkich laserów w obróbce materiałów znacznie się rozwinęło, a zastosowania naukowe, technologiczne i przemysłowe stają się coraz bardziej widoczne.
W dziedzinie ultraszybkich laserów do produkcji energia świetlna jest wykorzystywana w impulsach z ściśle skupionych ultraszybkich laserów femtosekundowych lub pikosekundowych i kierowana do ściśle określonych miejsc w materiale. Osiąga się to poprzez wzbudzenie dwu- lub wielofotonowe, występujące w znacznie szybszej skali czasu niż wymiana energii cieplnej pomiędzy wzbudzonymi światłem elektronami a jonami sieci.
Naukowcy osiągnęli obecnie największą precyzję w zarządzaniu fotojonizacją ultraszybkich laserów i procesami termicznymi, umożliwiając zlokalizowaną fotomodyfikację obszarów mniejszych niż 100 nanometrów.
Jak wynika z artykułu opublikowanego w czasopiśmie Light: Science, ultraszybkie lasery zazwyczaj działają w trybie fali ciągłej (CW) lub impulsowej przy długości fali 10 μm lub 1 μm i wniosły już znaczący wkład w dziedzinie motoryzacji, architektury oraz znakowania i etykietowania. i Aplikacje.
Na przykład ultraszybkie lasery, takie jak lasery femtosekundowe (fs), odgrywają ważną rolę w zastosowaniach wymagających dużej precyzji, zwłaszcza jeśli chodzi o powierzchnie i struktury objętościowe z kruchych i twardych przezroczystych materiałów. Ponadto ultraszybkie lasery, takie jak struktury lasera femtosekundowego, okazują się bardzo skuteczne, gdy kompozyty i materiały warstwowe muszą mieć misterną strukturę w złożony sposób 3D.
Wyzwania w ultraszybkiej obróbce laserowej
Przetwarzanie i funkcjonalizacja materiałów za pomocą ultraszybkich laserów to fascynujący proces; Jednakże, jak wskazano w niedawnym artykule w Advanced Optical Technologies, w procesie tym występują pewne wyzwania, które należy pokonać.
Wiele nowoczesnych ultraszybkich laserów abluje do głębokości zaledwie kilkuset nanometrów. Oznacza to, że w celu ablacji materiału należy skierować dużą liczbę ultraszybkich impulsów laserowych w jeden obszar. Ponadto w ostatnich badaniach wykazano, że ultraszybkie lasery Gaussa charakteryzują się wydajnością przetwarzania materiałów sięgającą około 12 procent, co stanowi odsetek wydajności otwierający wiele nowych możliwości przemysłowych zastosowań ultraszybkich laserów Gaussa.
Optyka przetwarzająca, ważny element ultraszybkich laserów, może powodować efekty nieliniowe, które zmieniają charakterystykę emitowanego impulsu. Może to mieć wpływ na takie parametry, jak czas trwania impulsu i widmo ultraszybkiego lasera. W skrajnych przypadkach intensywna energia wewnątrz optyki może doprowadzić do zniszczenia materiału celu przez ultraszybki laser.
Ultraszybkie lasery mają szeroki zakres zastosowań w materiałoznawstwie. Mamy nadzieję, że dzięki połączeniu postępu w technologii sztucznej inteligencji i analizie dużych zbiorów danych zostanie ustalona bardziej wiarygodna korelacja między procesem, strukturą i wydajnością w zastosowaniach ultraszybkiego laserowego przetwarzania materiałów w materiałoznawstwie. Oczekuje się, że takie podejście uprości wykorzystanie ultraszybkich laserów w wytwarzaniu przyrostowym materiałów, poprawi dokładność obliczeń i zapewni skuteczny sposób osiągania różnorodnych celów komercyjnych.
