Данас се ултрабрзи ласери (нпр. пикосекундни и фемтосекундни ласери) широко користе у области науке о материјалима и инжењерства. А напредак постигнут у системима за појачавање у великој мери је подстакао развој области ултрабрзих ласера, доносећи велику корист разним индустријама (нарочито науци о материјалима).
На срећу, научници су успели у потпуности да искористе ултрабрзе ласере да промене својства различитих материјала. Са својом ултра-високом резолуцијом и предностима кратких импулса, ултрабрзи ласери су постали најбољи избор за прецизно појачавање специфичних апликација.
Недавно је постојао велики интерес у области коришћења ултрабрзих ласера за генерисање параметара наноразмера иу истраживачком и комерцијалном сектору науке о материјалима. Глобални индустријски фокус на минијатуризацију и пораст нових производних техника и алата, као што су ултрабрзи ласери, резултирали су производњом мањих, компактнијих производа.
Недавни чланак у часопису Нанопхотоницс примећује да је најнапреднија метода која се користи у индустрији за обликовање широког спектра материјала, посебно чврстих материја, усмеравање ултрабрзог ласера високе енергије на његову површину са довољним интензитетом да стимулише и уклони материјал.
Поред процеса директне аблације, још један феномен структурирања који користи ултрабрзе ласере јавља се када је површина побуђена - ово подразумева трансформацију морфологије површине у правилан образац са периодичношћу подталасне дужине, који се назива ултрабрза периодична површинска структура изазвана ласером.
Оригинални концепт, који је био кључан за масовно наноструктурирање, укључивао је такозвану „микроексплозију“. Овај концепт подразумева стимулацију густе плазме ултрабрзим ласерима, што доводи до развоја великих електронских притисака, ударних таласа и ретких елемената на вишемилибарским нивоима. Наносмерне структуре су реализоване прецизним фокусирањем ултрабрзих ласера.
Поља примене ултрабрзе ласерске припреме наноструктура су широка и разноврсна. Имају могућности високих перформанси у оптици, механици и биологији, посебно када се структуре јављају у опсегу оптичких таласних дужина – што се може приписати својствима везаним за морфологију површине, специфичне карактеристике површине или величине карактеристика.
Ултрабрзи ласери: једини ефикасан начин заваривања керамике
Модерна производња се у великој мери ослања на заваривање, али поуздано заваривање керамике конвенционалним методама остаје недостижан циљ. Иста одлична отпорност на високе температуре која чини инжењерску керамику незаменљивом за многе изазовне примене такође представља значајне изазове приликом спајања керамике.
Недавни чланак објављен у часопису Сциенце, међутим, истиче предности ултрабрзог ласерског заваривања керамике. Прецизна испорука енергије коју пружају ултрабрзи ласери игра кључну улогу у производњи адитива и има потенцијал да буде веома ефикасна у спајању керамике. Нарочито је било успешних примера спајања различитих врста стакла ултрабрзим ласерима.
Нека стакла која су успешно заварена ултрабрзим ласерима (нпр. боросиликати) имају мању отпорност на ломљење и отпорност на топлотни удар у поређењу са типичном инжењерском керамиком (нпр. стабилизовани цирконијум и глиница). Способност да се постигне успешно ултрабрзо ласерско спајање у керамици зависи од способности ласера да се фокусира унутар материјала, што покреће нелинеарне и вишефотонске апсорпционе процесе који доводе до локализоване апсорпције и топљења.
Научници су развили нову методу за ултрабрзо пулсно ласерско заваривање. Техника фокусира светлост на интерфејс унутар керамике, стварајући оптички интерактор који стимулише нелинеарне процесе апсорпције који доводе до локализованог топљења, а не до аблације керамичке површине. Кључни фактори у овом истраживању су интеракција између линеарних и нелинеарних оптичких својстава и ефективно спајање ласерске енергије са материјалом.
Керамичке компоненте произведене овим методом ласерског заваривања не само да одржавају услове високог вакуума, већ такође показују чврстоћу на смицање упоредиву са дифузионим везама метал-керамике. Ласерско заваривање сада омогућава интеграцију керамике у уређаје за употребу у тешким условима, као и у пакете за оптоелектронику и електронику који захтевају транспарентност у видљивом радио спектру.
Ултрабрзи ласери проналазе посебну свестраност у заваривању провидне керамике јер се могу фокусирати кроз материјал. Ово омогућава да се сложеније геометрије споје у више региона интеракције, чиме се проширује потенцијална запремина заваривања.
Ултрабрзи ласери за обраду материјала
Употреба ултрабрзих ласера за обраду материјала значајно се развила током протекле деценије, при чему су научне, технолошке и индустријске примене постале све очигледније.
У области ултрабрзих ласера за производњу, светлосна енергија се користи у импулсима из чврсто фокусираних фемтосекундних или пикосекундних ултрабрзих ласера и усмерава се на високо специфичне локације унутар материјала. Ово се постиже дво- или вишефотонском побудом, која се дешава на много бржој временској скали од размене топлотне енергије између електрона побуђених светлошћу и јона решетке.
Научници су сада постигли највећу прецизност у управљању фотојонизацијом ултрабрзих ласера и термичких процеса, омогућавајући локализовану фотомодификацију региона мањих од 100 нанометара.
Ултрабрзи ласери обично раде у континуалним таласним (ЦВ) или импулсним режимима на таласним дужинама од 10 μм или 1 μм и већ су дали значајан допринос у аутомобилској, архитектонској и области обележавања и етикетирања, наводи се у чланку објављеном у часопису Лигхт: Сциенце и Апликације.
На пример, ултрабрзи ласери попут фемтосекундних (фс) ласера играју важну улогу у апликацијама које захтевају високу прецизност, посебно када су у питању површине и обимне структуре крхких и тврдих провидних материјала. Поред тога, ултрабрзи ласери као што су фемтосекундне ласерске структуре показују се веома ефикасним када композити и слојевити материјали морају бити сложено структурирани на сложен 3Д начин.
Изазови у ултрабрзи ласерској обради
Обрада и функционализација материјала ултрабрзим ласерима је фасцинантан процес; међутим, као што је недавни чланак у Адванцед Оптицал Тецхнологиес истиче, постоје неки изазови у процесу који се морају превазићи.
Многи модерни ултрабрзи ласери аблаирају до дубине од само неколико стотина нанометара. То значи да велики број ултрабрзих ласерских импулса треба да буде усмерен на један регион да би се материјал аблатирао. Поред тога, у недавним студијама, показало се да Гаусови ултрабрзи ласери имају ефикасност обраде материјала до око 12 процената – проценат ефикасности који отвара многе нове могућности за индустријску примену Гаусових ултрабрзих ласера.
Оптика за обраду, важна компонента ултрабрзих ласера, може изазвати нелинеарне ефекте који мењају карактеристике емитованог импулса. Ово може утицати на параметре као што су трајање импулса и спектар ултрабрзог ласера. У екстремним случајевима, интензивна енергија унутар оптике може довести до уништења циљаног материјала ултрабрзим ласером.
Ултрабрзи ласери имају широк спектар примена у науци о материјалима. Уз комбинацију напретка у технологији вештачке интелигенције и аналитике великих података, надамо се да ће се успоставити поузданија корелација између процеса, структуре и перформанси у апликацијама за ултрабрзу ласерску обраду материјала у науци о материјалима. Очекује се да ће овај приступ поједноставити употребу ултрабрзих ласера у производњи адитива материјала, побољшати тачност рачунара и обезбедити ефикасно средство за постизање различитих комерцијалних циљева.
