Nuförtiden har ultrasnabba lasrar (t.ex. pikosekund- och femtosekundlasrar) använts i stor utsträckning inom materialvetenskap och ingenjörskonst. Och de framsteg som gjorts inom förstärkningssystem har i hög grad främjat utvecklingen av området för ultrasnabba lasrar, vilket medfört stora fördelar för olika industrier (särskilt materialvetenskap).
Lyckligtvis har forskare kunnat dra full nytta av ultrasnabba lasrar för att förändra egenskaperna hos olika material. Med sin ultrahöga upplösning och korta pulsfördel har ultrasnabba lasrar blivit det bästa valet för att exakt öka specifika applikationer.
På senare tid har det funnits ett starkt intresse för att använda ultrasnabba lasrar för att generera parametrar i nanoskala inom både forskning och kommersiell materialvetenskap. Det globala industriella fokuset på miniatyrisering och framväxten av nya tillverkningstekniker och verktyg, såsom ultrasnabba lasrar, har resulterat i att mindre, mer kompakta produkter tillverkas.
En färsk artikel i tidskriften Nanophotonics noterar att den mest avancerade metoden som används inom industrin för att forma en mängd olika material, särskilt fasta ämnen, är att rikta en ultrasnabb laser med hög energi till dess yta med tillräcklig intensitet för att stimulera och ta bort materialet.
Förutom den direkta ablationsprocessen uppstår ett annat struktureringsfenomen som använder ultrasnabba lasrar när ytan exciteras - detta innebär att ytmorfologin omvandlas till ett regelbundet mönster med sub-våglängdsperiodicitet, kallad ultrasnabb laserinducerad periodisk ytstruktur.
Det ursprungliga konceptet, som var avgörande för bulk nanostrukturering, involverade den så kallade "mikroexplosionen". Detta koncept innebär stimulering av en tät plasma med ultrasnabba lasrar, vilket leder till utveckling av stora elektrontryck, stötvågor och sällsynta element på multimillibarnivåer. Nanoskala strukturer realiseras genom den exakta fokuseringen av ultrasnabba lasrar.
Användningsområdena för ultrasnabb laserberedning av nanostrukturer är breda och varierande. De har högpresterande möjligheter inom optik, mekanik och biologi, särskilt när strukturerna förekommer i det optiska våglängdsområdet - vilket kan tillskrivas egenskaper relaterade till ytmorfologi, specifika ytegenskaper eller särdragsstorlekar.
Ultrasnabba lasrar: det enda effektiva sättet att svetsa keramik
Modern tillverkning är starkt beroende av svetsning, men pålitlig keramisk svetsning med konventionella metoder är fortfarande ett svårfångat mål. Samma utmärkta högtemperaturbeständighet som gör teknisk keramik oumbärlig för många utmanande applikationer utgör också betydande utmaningar vid sammanfogning av keramik.
En nyligen publicerad artikel i tidskriften Science belyser dock fördelarna med ultrasnabb lasersvetsning av keramik. Den exakta energileveransen som tillhandahålls av ultrasnabba lasrar spelar en nyckelroll i additiv tillverkning och har potential att vara mycket effektiv vid sammanfogning av keramik. Noterbart har det funnits framgångsrika exempel på att sammanfoga olika typer av glas med ultrasnabba lasrar.
Vissa av glasen som framgångsrikt har svetsats med ultrasnabba lasrar (t.ex. borosilikater) har lägre brottseghet och värmechockbeständighet jämfört med typiska tekniska keramik (t.ex. stabiliserad zirkoniumoxid och aluminiumoxid). Förmågan att uppnå framgångsrik ultrasnabb laserfogning i keramik beror på laserns förmåga att fokusera inuti materialet, vilket utlöser ickelinjära och multifotonabsorptionsprocesser som leder till lokal absorption och smältning.
Forskare har utvecklat en ny metod för ultrasnabb pulsad lasersvetsning. Tekniken fokuserar ljus på ett gränssnitt inuti keramen, vilket skapar en optisk interaktor som stimulerar icke-linjära absorptionsprocesser som leder till lokal smältning snarare än ablation av den keramiska ytan. Nyckelfaktorerna i denna forskning är interaktionen mellan linjära och olinjära optiska egenskaper och den effektiva kopplingen av laserenergin till materialet.
Keramiska komponenter tillverkade med denna lasersvetsmetod upprätthåller inte bara höga vakuumförhållanden, utan uppvisar också skjuvhållfastheter som är jämförbara med metallkeramiska diffusionsbindningar. Lasersvetsning tillåter nu integrering av keramik i enheter för användning i tuffa miljöer, såväl som i paket för optoelektronik och elektronik som kräver transparens i det synliga radiospektrumet.
Ultrasnabba lasrar finner särskild mångsidighet vid svetsning av transparent keramik eftersom de kan fokuseras genom materialet. Detta gör att mer komplexa geometrier kan sammanfogas i flera interaktionsregioner, vilket ökar den potentiella svetsvolymen.
Ultrasnabba lasrar för materialbearbetning
Användningen av ultrasnabba lasrar för materialbearbetning har utvecklats avsevärt under det senaste decenniet, med vetenskapliga, tekniska och industriella tillämpningar som blivit alltmer uppenbara.
Inom området för ultrasnabba lasrar för tillverkning utnyttjas ljusenergi i pulser från hårt fokuserade femtosekunds- eller pikosekunds ultrasnabba lasrar och riktas till mycket specifika platser i materialet. Detta uppnås genom två- eller multifotonexcitation, som sker på en mycket snabbare tidsskala än utbytet av termisk energi mellan ljusexciterade elektroner och gitterjoner.
Forskare har nu uppnått den största precisionen i att hantera fotojonisering av ultrasnabba lasrar och termiska processer, vilket möjliggör lokal fotomodifiering av regioner mindre än 100 nanometer.
Ultrasnabba lasrar fungerar vanligtvis i kontinuerliga vågor (CW) eller pulsade lägen vid våglängder på 10 μm eller 1 μm och har redan gett betydande bidrag inom fordonsindustrin, arkitekturen samt märkning och märkning, enligt en artikel publicerad i tidskriften Light: Science och applikationer.
Till exempel spelar ultrasnabba lasrar som femtosekund (fs) lasrar en viktig roll i applikationer som kräver hög precision, särskilt när det kommer till ytor och bulkstrukturer av spröda och hårda transparenta material. Dessutom visar sig ultrasnabba lasrar som femtosekundlaserstrukturer vara mycket effektiva när kompositer och skiktade material behöver struktureras intrikat på ett komplext 3D-sätt.
Utmaningar inom ultrasnabb laserbehandling
Bearbetning och funktionalisering av material med ultrasnabba lasrar är en fascinerande process; Men som en ny artikel i Advanced Optical Technologies påpekar, finns det vissa utmaningar i processen som måste övervinnas.
Många moderna ultrasnabba lasrar ablaterar till ett djup av bara några hundra nanometer. Detta innebär att ett stort antal ultrasnabba laserpulser måste riktas till ett enda område för att ablatera materialet. Dessutom har Gaussiska ultrasnabba lasrar i nyare studier visat sig ha materialbearbetningseffektiviteter på upp till cirka 12 procent – en effektivitetsprocent som öppnar upp för många nya möjligheter för industriella tillämpningar av Gaussiska ultrasnabba lasrar.
Bearbetningsoptik, en viktig komponent i ultrasnabba lasrar, kan orsaka icke-linjära effekter som förändrar egenskaperna hos den utsända pulsen. Detta kan påverka parametrar som pulslängd och den ultrasnabba laserns spektrum. I extrema fall kan den intensiva energin inuti optiken leda till att målmaterialet förstörs av den ultrasnabba lasern.
Ultrasnabba lasrar har ett brett spektrum av tillämpningar inom materialvetenskap. Med kombinationen av framsteg inom artificiell intelligens-teknologi och big data-analys kommer en mer tillförlitlig korrelation mellan process, struktur och prestanda förhoppningsvis att etableras i ultrasnabba lasermaterialbearbetningsapplikationer inom materialvetenskap. Detta tillvägagångssätt förväntas förenkla användningen av ultrasnabba lasrar i materialtillsatstillverkning, förbättra beräkningsnoggrannheten och ge ett effektivt sätt att uppnå en mängd olika kommersiella mål.
