В днешно време свръхбързите лазери (напр. пикосекундни и фемтосекундни лазери) се използват широко в областта на материалознанието и инженерството. И напредъкът, постигнат в системите за усилване, значително насърчи развитието на областта на свръхбързите лазери, носейки големи ползи за различни индустрии (особено науката за материалите).
За щастие учените са успели да се възползват напълно от свръхбързите лазери, за да променят свойствата на различни материали. Със своята свръхвисока разделителна способност и предимство на къс импулс ултрабързите лазери се превърнаха в най-добрия избор за прецизно усилване на специфични приложения.
Напоследък има силен интерес в областта на използването на ултрабързи лазери за генериране на наномащабни параметри както в изследователския, така и в комерсиалния сектор на науката за материалите. Глобалният индустриален фокус върху миниатюризацията и възходът на нови производствени техники и инструменти, като ултрабързи лазери, доведоха до производството на по-малки, по-компактни продукти.
Неотдавнашна статия в списание Nanophotonics отбелязва, че най-напредналият метод, използван в индустрията за оформяне на голямо разнообразие от материали, особено твърди вещества, е да се насочи високоенергиен ултрабърз лазер към повърхността му с достатъчна интензивност, за да стимулира и отстрани материала.
В допълнение към процеса на директна аблация, друг феномен на структуриране, използващ ултрабързи лазери, възниква, когато повърхността е възбудена - това води до трансформиране на морфологията на повърхността в правилен модел с периодичност на дължината на вълната, наречена ултрабърза лазерно индуцирана периодична повърхностна структура.
Първоначалната концепция, която беше от решаващо значение за обемното наноструктуриране, включваше така наречената "микроексплозия". Тази концепция включва стимулиране на плътна плазма с ултрабързи лазери, което води до развитие на голямо електронно налягане, ударни вълни и редки елементи на нива от няколко милибара. Наномащабните структури се реализират чрез прецизно фокусиране на свръхбързи лазери.
Областите на приложение на свръхбързото лазерно получаване на наноструктури са широки и разнообразни. Те имат възможности с висока производителност в оптиката, механиката и биологията, особено когато структурите се срещат в оптичния диапазон на дължината на вълната - което може да се припише на свойства, свързани с морфологията на повърхността, специфични характеристики на повърхността или размери на характеристиките.
Свръхбързи лазери: единственият ефективен начин за заваряване на керамика
Съвременното производство разчита до голяма степен на заваряване, но надеждното керамично заваряване чрез конвенционални методи остава непостижима цел. Същата отлична устойчивост на висока температура, която прави инженерната керамика незаменима за много предизвикателни приложения, също поставя значителни предизвикателства при свързването на керамика.
Неотдавнашна статия, публикувана в списание Science обаче, подчертава предимствата на ултрабързото лазерно заваряване на керамика. Прецизното доставяне на енергия, осигурено от ултрабързите лазери, играе ключова роля в адитивното производство и има потенциала да бъде високоефективно при свързване на керамика. Трябва да се отбележи, че има успешни примери за свързване на различни видове стъкло с ултрабързи лазери.
Някои от стъклата, които са били успешно заварени с ултрабързи лазери (напр. боросиликати), имат по-ниска якост на счупване и устойчивост на термичен удар в сравнение с типичната инженерна керамика (напр. стабилизиран цирконий и алуминиев оксид). Способността за постигане на успешно свръхбързо лазерно свързване в керамиката зависи от способността на лазера да се фокусира вътре в материала, което задейства процеси на нелинейна и многофотонна абсорбция, водещи до локализирана абсорбция и топене.
Учените са разработили нов метод за ултрабързо импулсно лазерно заваряване. Техниката фокусира светлината върху интерфейс вътре в керамиката, създавайки оптичен интерактор, който стимулира нелинейни процеси на абсорбция, водещи до локализирано топене, а не до аблация на керамичната повърхност. Ключовите фактори в това изследване са взаимодействието между линейните и нелинейните оптични свойства и ефективното свързване на лазерната енергия с материала.
Керамичните компоненти, произведени чрез този метод на лазерно заваряване, не само поддържат условия на висок вакуум, но също така проявяват якост на срязване, сравнима с дифузионните връзки на металокерамиката. Лазерното заваряване сега позволява интегрирането на керамика в устройства за използване в тежки среди, както и в пакети за оптоелектроника и електроника, които изискват прозрачност във видимия радиоспектър.
Свръхбързите лазери намират особена гъвкавост при заваряване на прозрачна керамика, защото могат да бъдат фокусирани през материала. Това позволява по-сложни геометрии да бъдат съединени в множество области на взаимодействие, като по този начин се разширява потенциалният обем на заваряване.
Свръхбързи лазери за обработка на материали
Използването на свръхбързи лазери за обработка на материали се разви значително през последното десетилетие, като научните, технологичните и индустриалните приложения стават все по-очевидни.
В областта на ултрабързите лазери за производство, светлинната енергия се използва в импулси от плътно фокусирани фемтосекундни или пикосекундни ултрабързи лазери и се насочва към силно специфични места в материала. Това се постига чрез дву- или многофотонно възбуждане, протичащо в много по-бърза времева скала от обмена на топлинна енергия между възбудени от светлина електрони и йони на решетката.
Сега учените са постигнали най-голяма прецизност в управлението на фотойонизацията на ултрабързи лазери и термични процеси, позволявайки локализирана фотомодификация на региони, по-малки от 100 нанометра.
Свръхбързите лазери обикновено работят в непрекъснати вълнови (CW) или импулсни режими при дължини на вълните от 10 μm или 1 μm и вече са направили значителен принос в областта на автомобилостроенето, архитектурата и маркирането и етикетирането, според статия, публикувана в списанието Light: Science и Приложения.
Например свръхбързите лазери като фемтосекундните (fs) лазери играят важна роля в приложения, изискващи висока прецизност, особено когато става въпрос за повърхности и обемни структури от крехки и твърди прозрачни материали. В допълнение, свръхбързите лазери като фемтосекундните лазерни структури се оказват много ефективни, когато композитите и слоестите материали трябва да бъдат сложно структурирани по сложен 3D начин.
Предизвикателства при ултрабързата лазерна обработка
Обработката и функционализирането на материали с ултрабързи лазери е завладяващ процес; обаче, както се посочва в скорошна статия в Advanced Optical Technologies, има някои предизвикателства в процеса, които трябва да бъдат преодолени.
Много съвременни свръхбързи лазери аблатират до дълбочина само няколкостотин нанометра. Това означава, че голям брой свръхбързи лазерни импулси трябва да бъдат насочени към една област, за да се аблира материалът. В допълнение, в последните проучвания е доказано, че ултрабързите лазери на Гаус имат ефективност при обработка на материали до около 12 процента - процент на ефективност, който отваря много нови възможности за индустриални приложения на ултрабързите лазери на Гаус.
Обработващата оптика, важен компонент на свръхбързите лазери, може да причини нелинейни ефекти, които променят характеристиките на излъчвания импулс. Това може да повлияе на параметри като продължителност на импулса и спектър на свръхбързия лазер. В екстремни случаи интензивната енергия вътре в оптиката може да доведе до унищожаване на целевия материал от свръхбързия лазер.
Свръхбързите лазери имат широк спектър от приложения в материалознанието. С комбинацията от напредък в технологията за изкуствен интелект и анализа на големи данни, се надяваме, че ще бъде установена по-надеждна корелация между процес, структура и производителност в ултрабързите приложения за обработка на лазерни материали в материалознанието. Очаква се този подход да опрости използването на свръхбързи лазери в производството на добавки за материали, да подобри изчислителната точност и да осигури ефективно средство за постигане на различни търговски цели.
