Šiais laikais itin greiti lazeriai (pvz., pikosekundiniai ir femtosekundiniai lazeriai) plačiai naudojami medžiagų mokslo ir inžinerijos srityje. O stiprinimo sistemų pažanga labai paskatino itin greitų lazerių srities plėtrą, atnešdama didelę naudą įvairioms pramonės šakoms (ypač medžiagų mokslui).
Džiugu, kad mokslininkams pavyko išnaudoti visas itin greitų lazerių galimybes, kad pakeistų įvairių medžiagų savybes. Itin didelės skiriamosios gebos ir trumpo impulso pranašumai itin greiti lazeriai tapo geriausiu pasirinkimu norint tiksliai sustiprinti konkrečias programas.
Pastaruoju metu labai domimasi itin greitų lazerių panaudojimu nanoskalės parametrams generuoti tiek mokslinių tyrimų, tiek komercinių medžiagų mokslo sektoriuose. Dėl pasaulinio pramonės dėmesio miniatiūrizavimui ir naujų gamybos metodų bei įrankių, tokių kaip itin greiti lazeriai, atsiradimas lėmė mažesnių, kompaktiškesnių gaminių gamybą.
Neseniai žurnale „Nanophotonics“ paskelbtame straipsnyje pažymima, kad pažangiausias pramonėje naudojamas būdas formuoti įvairiausias medžiagas, ypač kietas medžiagas, yra nukreipti į jo paviršių pakankamai intensyviai didelės energijos itin greitą lazerį, kad būtų galima stimuliuoti ir pašalinti medžiagą.
Be tiesioginio abliacijos proceso, kai paviršius sužadinamas, atsiranda dar vienas struktūrizavimo reiškinys, naudojant ypač greitus lazerius – tai reiškia, kad paviršiaus morfologija paverčiama įprastu modeliu, kurio periodiškumas yra mažesnis už bangos ilgį, vadinamą itin greita lazeriu sukelta periodine paviršiaus struktūra.
Pradinė koncepcija, kuri buvo labai svarbi masiniam nanostruktūrizavimui, apėmė vadinamąjį „mikrosprogimą“. Ši koncepcija apima tankios plazmos stimuliavimą ypač greitais lazeriais, dėl kurių atsiranda didelis elektronų slėgis, smūginės bangos ir reti elementai kelių milibarų lygiu. Nano skalės struktūros realizuojamos tiksliai sufokusavus itin greitus lazerius.
Itin greito nanostruktūrų paruošimo lazeriu taikymo sritys yra plačios ir įvairios. Jie pasižymi dideliu našumu optikoje, mechanikoje ir biologijoje, ypač kai struktūros yra optinių bangų ilgių diapazone, o tai gali būti siejama su savybėmis, susijusiomis su paviršiaus morfologija, specifinėmis paviršiaus savybėmis ar savybių dydžiais.
Itin greiti lazeriai: vienintelis efektyvus būdas suvirinti keramiką
Šiuolaikinė gamyba labai priklauso nuo suvirinimo, tačiau patikimas keraminis suvirinimas tradiciniais metodais išlieka sunkiai pasiekiamas tikslas. Tas pats puikus atsparumas aukštai temperatūrai, dėl kurio inžinerinė keramika yra nepakeičiama daugeliui sudėtingų pritaikymų, taip pat kelia didelių iššūkių sujungiant keramiką.
Tačiau neseniai žurnale „Science“ paskelbtame straipsnyje pabrėžiama itin greito keramikos suvirinimo lazeriu nauda. Tikslus itin greitų lazerių energijos tiekimas vaidina pagrindinį vaidmenį priedų gamyboje ir gali būti labai efektyvus sujungiant keramiką. Pažymėtina, kad buvo sėkmingų įvairių tipų stiklo sujungimo su itin sparčiais lazeriais pavyzdžių.
Kai kurie stiklai, kurie buvo sėkmingai suvirinti itin greitais lazeriais (pvz., borosilikatai), turi mažesnį atsparumą lūžiams ir atsparumą šiluminiam smūgiui, palyginti su tipine inžinerine keramika (pvz., stabilizuotu cirkoniu ir aliuminio oksidu). Galimybė pasiekti sėkmingą itin greitą lazerinį sujungimą keramikoje priklauso nuo lazerio gebėjimo sufokusuoti medžiagos viduje, o tai sukelia netiesinius ir daugiafotoninius absorbcijos procesus, vedančius į lokalizuotą absorbciją ir lydymą.
Mokslininkai sukūrė naują itin greito impulsinio suvirinimo lazeriu metodą. Metodas sutelkia šviesą į keramikos viduje esančią sąsają, sukuriant optinį interaktorių, kuris stimuliuoja netiesinius absorbcijos procesus, dėl kurių atsiranda lokalus lydymas, o ne keraminio paviršiaus abliacija. Pagrindiniai šio tyrimo veiksniai yra linijinių ir netiesinių optinių savybių sąveika ir efektyvus lazerio energijos susiejimas su medžiaga.
Keraminiai komponentai, pagaminti naudojant šį lazerinio suvirinimo metodą, ne tik palaiko aukšto vakuumo sąlygas, bet ir pasižymi šlyties stipriu, panašiu į metalo keramikos difuzijos jungtis. Suvirinimas lazeriu dabar leidžia integruoti keramiką į įrenginius, skirtus naudoti atšiaurioje aplinkoje, taip pat į optoelektronikos ir elektronikos paketus, kuriems reikalingas matomo radijo spektro skaidrumas.
Itin greiti lazeriai yra ypač universalūs suvirinant skaidrią keramiką, nes juos galima sufokusuoti per medžiagą. Tai leidžia sujungti sudėtingesnes geometrijas keliose sąveikos srityse, taip padidinant galimą suvirinimo tūrį.
Itin greiti lazeriai medžiagų apdirbimui
Itin greitų lazerių naudojimas medžiagų apdirbimui per pastarąjį dešimtmetį labai išaugo, o moksliniai, technologiniai ir pramoniniai pritaikymai tampa vis akivaizdesni.
Gaminant itin greitus lazerius, šviesos energija naudojama impulsais iš tiksliai sufokusuotų femtosekundžių arba pikosekundžių itin greitų lazerių ir nukreipiama į labai specifines medžiagos vietas. Tai pasiekiama naudojant dviejų ar kelių fotonų sužadinimą, kuris vyksta daug greičiau nei šiluminės energijos mainai tarp šviesos sužadintų elektronų ir gardelės jonų.
Dabar mokslininkai pasiekė didžiausią tikslumą valdydami itin greitų lazerių fotojonizaciją ir šiluminius procesus, leidžiančius lokalizuotai fotomodifikuoti mažesnius nei 100 nanometrų regionus.
Pagal straipsnį, paskelbtą žurnale „Light: Science“, ypač greiti lazeriai paprastai veikia nuolatinės bangos (CW) arba impulsiniu režimu, kai bangos ilgis yra 10 μm arba 1 μm, ir jau padarė reikšmingą indėlį automobilių, architektūros, ženklinimo ir ženklinimo srityse. ir Programos.
Pavyzdžiui, ypač greiti lazeriai, tokie kaip femtosekundiniai (fs) lazeriai, vaidina svarbų vaidmenį taikant programas, kurioms reikalingas didelis tikslumas, ypač kai kalbama apie trapių ir kietų skaidrių medžiagų paviršius ir masines struktūras. Be to, ypač greiti lazeriai, tokie kaip femtosekundinės lazerinės struktūros, yra labai veiksmingi, kai kompozitus ir sluoksniuotas medžiagas reikia sudėtingai struktūrizuoti sudėtingu 3D būdu.
Itin greito apdorojimo lazeriu iššūkiai
Medžiagų apdorojimas ir funkcionalizavimas itin sparčiais lazeriais yra žavus procesas; Tačiau, kaip pažymima neseniai paskelbtame „Advanced Optical Technologies“ straipsnyje, šiame procese yra tam tikrų iššūkių, kuriuos reikia įveikti.
Daugelis šiuolaikinių itin greitų lazerių abliuojasi tik iki kelių šimtų nanometrų gylio. Tai reiškia, kad norint pašalinti medžiagą, į vieną sritį reikia nukreipti daug itin greitų lazerio impulsų. Be to, naujausių tyrimų metu buvo įrodyta, kad Gauso itin greitų lazerių medžiagų apdorojimo efektyvumas siekia iki maždaug 12 procentų – šis efektyvumo procentas atveria daug naujų galimybių Gauso itin sparčiųjų lazerių pritaikymui pramonėje.
Apdorojimo optika, svarbi itin greitų lazerių sudedamoji dalis, gali sukelti netiesinius efektus, kurie keičia skleidžiamo impulso charakteristikas. Tai gali turėti įtakos tokiems parametrams kaip impulso trukmė ir itin greito lazerio spektras. Ekstremaliais atvejais intensyvi energija optikos viduje gali sukelti tikslinės medžiagos sunaikinimą itin greitu lazeriu.
Itin greiti lazeriai yra plačiai naudojami medžiagų moksle. Tikimasi, kad derinant dirbtinio intelekto technologijų pažangą ir didelių duomenų analizę, bus nustatyta patikimesnė proceso, struktūros ir našumo koreliacija naudojant itin greitą lazerinį medžiagų apdorojimą medžiagų moksle. Tikimasi, kad šis metodas supaprastins itin greitų lazerių naudojimą medžiagų priedų gamyboje, pagerins skaičiavimo tikslumą ir suteiks veiksmingą priemonę įvairiems komerciniams tikslams pasiekti.
