В настоящее время сверхбыстрые лазеры (например, пикосекундные и фемтосекундные) широко используются в области материаловедения и техники. А прогресс, достигнутый в системах усиления, во многом способствовал развитию области сверхбыстрых лазеров, принося большую пользу различным отраслям промышленности (особенно материаловедению).
К счастью, учёным удалось в полной мере воспользоваться преимуществами сверхбыстрых лазеров для изменения свойств различных материалов. Благодаря сверхвысокому разрешению и преимуществу коротких импульсов сверхбыстрые лазеры стали лучшим выбором для точного улучшения конкретных приложений.
В последнее время наблюдается большой интерес к использованию сверхбыстрых лазеров для генерации наноразмерных параметров как в исследовательском, так и в коммерческом секторе материаловедения. Глобальная промышленная ориентация на миниатюризацию и появление новых производственных технологий и инструментов, таких как сверхбыстрые лазеры, привели к производству более мелких и компактных продуктов.
В недавней статье в журнале Nanophotonics отмечается, что самый передовой метод, используемый в промышленности для формирования широкого спектра материалов, особенно твердых тел, заключается в направлении на их поверхность высокоэнергетического сверхбыстрого лазера с достаточной интенсивностью для стимуляции и удаления материала.
В дополнение к процессу прямой абляции, при возбуждении поверхности происходит еще одно явление структурирования с использованием сверхбыстрых лазеров - это влечет за собой преобразование морфологии поверхности в регулярный узор с субволновой периодичностью, называемый сверхбыстрой периодической структурой поверхности, индуцированной сверхбыстрым лазером.
Первоначальная концепция, которая имела решающее значение для объемного наноструктурирования, включала так называемый «микровзрыв». Эта концепция предполагает стимуляцию плотной плазмы сверхбыстрыми лазерами, что приводит к развитию больших давлений электронов, ударных волн и редких элементов на уровне нескольких миллибар. Наноразмерные структуры создаются путем точной фокусировки сверхбыстрых лазеров.
Области применения сверхбыстрой лазерной подготовки наноструктур широки и разнообразны. Они обладают высокоэффективными возможностями в оптике, механике и биологии, особенно когда структуры возникают в оптическом диапазоне длин волн, что можно объяснить свойствами, связанными с морфологией поверхности, конкретными особенностями поверхности или размерами элементов.
Сверхбыстрые лазеры: единственный эффективный способ сварки керамики
Современное производство в значительной степени зависит от сварки, но надежная сварка керамики традиционными методами остается недостижимой целью. Та же превосходная устойчивость к высоким температурам, которая делает инженерную керамику незаменимой для многих сложных задач, также создает серьезные проблемы при соединении керамики.
Однако недавняя статья, опубликованная в журнале Science, подчеркивает преимущества сверхбыстрой лазерной сварки керамики. Точная подача энергии, обеспечиваемая сверхбыстрыми лазерами, играет ключевую роль в аддитивном производстве и может оказаться весьма эффективной при соединении керамики. Примечательно, что имеются успешные примеры соединения различных типов стекол сверхбыстрыми лазерами.
Некоторые из стекол, которые были успешно сварены сверхбыстрыми лазерами (например, боросиликаты), имеют более низкую вязкость разрушения и термостойкость по сравнению с типичной технической керамикой (например, стабилизированным диоксидом циркония и оксидом алюминия). Возможность достижения успешного сверхбыстрого лазерного соединения в керамике зависит от способности лазера фокусироваться внутри материала, что запускает процессы нелинейного и многофотонного поглощения, приводящие к локализованному поглощению и плавлению.
Ученые разработали новый метод сверхбыстрой импульсной лазерной сварки. Этот метод фокусирует свет на границе раздела внутри керамики, создавая оптический интерактор, который стимулирует процессы нелинейного поглощения, ведущие к локализованному плавлению, а не к абляции керамической поверхности. Ключевыми факторами в этом исследовании являются взаимодействие между линейными и нелинейными оптическими свойствами и эффективная связь лазерной энергии с материалом.
Керамические компоненты, изготовленные с использованием этого метода лазерной сварки, не только выдерживают условия высокого вакуума, но также обладают прочностью на сдвиг, сравнимой с диффузионными связями металл-керамика. Лазерная сварка теперь позволяет интегрировать керамику в устройства для использования в суровых условиях, а также в корпуса оптоэлектроники и электроники, требующие прозрачности в видимом радиоспектре.
Сверхбыстрые лазеры особенно универсальны при сварке прозрачной керамики, поскольку их можно сфокусировать сквозь материал. Это позволяет соединять более сложные геометрические фигуры в нескольких областях взаимодействия, тем самым расширяя потенциальный объем сварки.
Сверхбыстрые лазеры для обработки материалов
Использование сверхбыстрых лазеров для обработки материалов значительно расширилось за последнее десятилетие, и их научные, технологические и промышленные применения становятся все более очевидными.
В области сверхбыстрых лазеров для производства энергия света используется в импульсах от плотно сфокусированных фемтосекундных или пикосекундных сверхбыстрых лазеров и направляется в очень определенные места внутри материала. Это достигается за счет двух- или многофотонного возбуждения, происходящего в гораздо более быстром масштабе, чем обмен тепловой энергией между возбужденными светом электронами и ионами решетки.
Ученые теперь достигли наибольшей точности в управлении фотоионизацией сверхбыстрых лазеров и тепловыми процессами, что позволяет локализовать фотомодификацию областей размером менее 100 нанометров.
Согласно статье, опубликованной в журнале Light: Science, сверхбыстрые лазеры обычно работают в непрерывном (CW) или импульсном режимах на длинах волн 10 или 1 мкм и уже внесли значительный вклад в автомобильную, архитектурную, а также маркировку и маркировку. и приложения.
Например, сверхбыстрые лазеры, такие как фемтосекундные (fs) лазеры, играют важную роль в приложениях, требующих высокой точности, особенно когда речь идет о поверхностях и объемных структурах хрупких и твердых прозрачных материалов. Кроме того, сверхбыстрые лазеры, такие как фемтосекундные лазерные структуры, оказываются очень эффективными, когда композиты и слоистые материалы необходимо структурировать сложным трехмерным способом.
Проблемы сверхбыстрой лазерной обработки
Обработка и функционализация материалов с помощью сверхбыстрых лазеров — увлекательный процесс; однако, как отмечается в недавней статье в журнале Advanced Optical Technologies, в этом процессе есть некоторые проблемы, которые необходимо преодолеть.
Многие современные сверхбыстрые лазеры осуществляют абляцию на глубину всего несколько сотен нанометров. Это означает, что для абляции материала необходимо направить большое количество сверхбыстрых лазерных импульсов в одну область. Кроме того, в недавних исследованиях было показано, что гауссовы сверхбыстрые лазеры имеют эффективность обработки материала примерно до 12 процентов - процент эффективности, который открывает множество новых возможностей для промышленного применения гауссовских сверхбыстрых лазеров.
Обрабатывающая оптика, важный компонент сверхбыстрых лазеров, может вызывать нелинейные эффекты, изменяющие характеристики излучаемого импульса. Это может повлиять на такие параметры, как длительность импульса и спектр сверхбыстрого лазера. В крайних случаях мощная энергия внутри оптики может привести к разрушению материала мишени сверхбыстрым лазером.
Сверхбыстрые лазеры имеют широкий спектр применения в материаловедении. Мы надеемся, что благодаря сочетанию достижений в области технологий искусственного интеллекта и анализа больших данных будет установлена более надежная корреляция между процессом, структурой и производительностью в приложениях сверхбыстрой лазерной обработки материалов в материаловедении. Ожидается, что этот подход упростит использование сверхбыстрых лазеров в аддитивном производстве материалов, повысит точность вычислений и предоставит эффективные средства достижения множества коммерческих целей.
