U današnje vrijeme ultrabrzi laseri (npr. pikosekundni i femtosekundni laseri) naširoko se koriste u području znanosti o materijalima i inženjerstvu. Napredak postignut u sustavima pojačanja uvelike je promicao razvoj polja ultrabrzih lasera, donoseći velike koristi raznim industrijama (osobito znanosti o materijalima).
Na sreću, znanstvenici su uspjeli u potpunosti iskoristiti prednosti ultrabrzih lasera za promjenu svojstava različitih materijala. Uz svoju ultravisoku razlučivost i prednost kratkog pulsa, ultrabrzi laseri postali su najbolji izbor za precizno pojačanje specifičnih aplikacija.
Nedavno je postojao snažan interes u području korištenja ultrabrzih lasera za generiranje parametara nanomjere u istraživačkom i komercijalnom sektoru znanosti o materijalima. Globalni industrijski fokus na minijaturizaciju i porast novih proizvodnih tehnika i alata, kao što su ultrabrzi laseri, rezultirali su proizvodnjom manjih, kompaktnijih proizvoda.
Nedavni članak u časopisu Nanophotonics primjećuje da je najnaprednija metoda koja se koristi u industriji za oblikovanje širokog spektra materijala, posebice čvrstih tvari, usmjeravanje visokoenergetskog ultrabrzog lasera na njihovu površinu s dovoljnim intenzitetom da stimulira i ukloni materijal.
Uz izravni proces ablacije, još jedan fenomen strukturiranja koji koristi ultrabrze lasere događa se kada je površina pobuđena - to podrazumijeva transformaciju površinske morfologije u pravilan uzorak s periodičnošću ispod valne duljine, koja se naziva ultrabrzim laserom inducirana periodična površinska struktura.
Izvorni koncept, koji je bio ključan za skupno nanostrukturiranje, uključivao je takozvanu "mikroeksploziju". Ovaj koncept uključuje stimulaciju guste plazme ultrabrzim laserima, što dovodi do razvoja velikih pritisaka elektrona, udarnih valova i rijetkih elemenata na višemilibarskim razinama. Strukture nanoskale ostvaruju se preciznim fokusiranjem ultrabrzih lasera.
Područja primjene ultrabrze laserske pripreme nanostruktura su široka i raznolika. Imaju sposobnosti visokih performansi u optici, mehanici i biologiji, posebno kada se strukture pojavljuju u rasponu optičkih valnih duljina - što se može pripisati svojstvima povezanim s morfologijom površine, specifičnim značajkama površine ili veličinama značajki.
Ultrabrzi laseri: jedini učinkovit način zavarivanja keramike
Moderna proizvodnja uvelike se oslanja na zavarivanje, ali pouzdano zavarivanje keramike konvencionalnim metodama ostaje nedostižan cilj. Ista izvrsna otpornost na visoke temperature koja inženjersku keramiku čini nezamjenjivom za mnoge zahtjevne primjene također predstavlja značajne izazove kod spajanja keramike.
Međutim, nedavni članak objavljen u časopisu Science ističe prednosti ultrabrzog laserskog zavarivanja keramike. Precizna isporuka energije koju pružaju ultrabrzi laseri igra ključnu ulogu u aditivnoj proizvodnji i ima potencijal biti vrlo učinkovit u spajanju keramike. Naime, postoje uspješni primjeri spajanja različitih vrsta stakla ultrabrzim laserima.
Neka stakla koja su uspješno zavarena ultrabrzim laserima (npr. borosilikati) imaju manju žilavost loma i otpornost na toplinski udar u usporedbi s tipičnom inženjerskom keramikom (npr. stabilizirani cirkonij i aluminij). Sposobnost postizanja uspješnog ultrabrzog laserskog spajanja u keramici ovisi o sposobnosti lasera da se fokusira unutar materijala, što pokreće nelinearne i višefotonske procese apsorpcije koji dovode do lokalizirane apsorpcije i taljenja.
Znanstvenici su razvili novu metodu za ultrabrzo pulsirajuće lasersko zavarivanje. Tehnika fokusira svjetlost na sučelje unutar keramike, stvarajući optički interaktor koji stimulira nelinearne procese apsorpcije koji dovode do lokaliziranog taljenja, a ne do ablacije keramičke površine. Ključni čimbenici u ovom istraživanju su interakcija između linearnih i nelinearnih optičkih svojstava i učinkovito spajanje laserske energije s materijalom.
Keramičke komponente proizvedene ovom metodom laserskog zavarivanja ne samo da održavaju visoke vakuumske uvjete, već također pokazuju otpornost na smicanje usporedivu s metal-keramičkim difuzijskim vezama. Lasersko zavarivanje sada omogućuje integraciju keramike u uređaje za upotrebu u teškim okruženjima, kao i u pakete za optoelektroniku i elektroniku koji zahtijevaju transparentnost u vidljivom radio spektru.
Ultrabrzi laseri nalaze posebnu svestranost u zavarivanju prozirne keramike jer se mogu fokusirati kroz materijal. To omogućuje spajanje složenijih geometrija u više interakcijskih područja, čime se proširuje potencijalni volumen zavarivanja.
Ultrabrzi laseri za obradu materijala
Korištenje ultrabrzih lasera za obradu materijala znatno se razvilo u proteklom desetljeću, a znanstvena, tehnološka i industrijska primjena postaje sve očiglednija.
U području ultrabrzih lasera za proizvodnju, svjetlosna energija se koristi u impulsima od usko fokusiranih femtosekundnih ili pikosekundnih ultrabrzih lasera i usmjerava se na vrlo specifične lokacije unutar materijala. To se postiže dvo- ili višefotonskom ekscitacijom, koja se odvija na mnogo bržoj vremenskoj skali od izmjene toplinske energije između svjetlom pobuđenih elektrona i iona rešetke.
Znanstvenici su sada postigli najveću preciznost u upravljanju fotoionizacijom ultrabrzih lasera i toplinskih procesa, omogućujući lokaliziranu fotomodifikaciju regija manjih od 100 nanometara.
Ultrabrzi laseri obično rade u kontinuiranom valnom (CW) ili pulsirajućem načinu rada na valnim duljinama od 10 μm ili 1 μm i već su značajno doprinijeli u automobilskoj industriji, arhitekturi i označavanju i označavanju, navodi se u članku objavljenom u časopisu Light: Science i Prijave.
Na primjer, ultrabrzi laseri poput femtosekundnih (fs) lasera igraju važnu ulogu u primjenama koje zahtijevaju visoku preciznost, posebno kada se radi o površinama i rasutim strukturama krhkih i tvrdih prozirnih materijala. Osim toga, ultrabrzi laseri poput femtosekundnih laserskih struktura pokazali su se vrlo učinkovitima kada kompozite i slojevite materijale treba zamršeno strukturirati na složen 3D način.
Izazovi u ultrabrzoj laserskoj obradi
Obrada i funkcionalizacija materijala ultrabrzim laserima je fascinantan proces; međutim, kako ističe nedavni članak u časopisu Advanced Optical Technologies, postoje neki izazovi u procesu koji se moraju prevladati.
Mnogi moderni ultrabrzi laseri abliraju do dubine od samo nekoliko stotina nanometara. To znači da veliki broj ultrabrzih laserskih impulsa treba usmjeriti na jedno područje kako bi se materijal ablirao. Osim toga, u nedavnim studijama pokazalo se da Gaussovi ultrabrzi laseri imaju učinkovitost obrade materijala do oko 12 posto - postotak učinkovitosti koji otvara mnoge nove mogućnosti za industrijsku primjenu Gaussovih ultrabrzih lasera.
Optika za obradu, važna komponenta ultrabrzih lasera, može izazvati nelinearne efekte koji mijenjaju karakteristike emitiranog impulsa. To može utjecati na parametre kao što su trajanje impulsa i spektar ultrabrzog lasera. U ekstremnim slučajevima, intenzivna energija unutar optike može dovesti do uništenja ciljanog materijala ultrabrzim laserom.
Ultrabrzi laseri imaju širok raspon primjena u znanosti o materijalima. S kombinacijom napretka u tehnologiji umjetne inteligencije i analitike velikih podataka, nadamo se da će se uspostaviti pouzdanija korelacija između procesa, strukture i performansi u aplikacijama ultrabrze laserske obrade materijala u znanosti o materijalima. Očekuje se da će ovaj pristup pojednostaviti upotrebu ultrabrzih lasera u aditivnoj proizvodnji materijala, poboljšati računsku točnost i pružiti učinkovito sredstvo za postizanje raznih komercijalnih ciljeva.
