Tegenwoordig worden ultrasnelle lasers (bijvoorbeeld picoseconde- en femtosecondelasers) op grote schaal gebruikt op het gebied van materiaalkunde en techniek. En de vooruitgang die is geboekt op het gebied van versterkingssystemen heeft de ontwikkeling van het gebied van ultrasnelle lasers enorm bevorderd, wat grote voordelen heeft opgeleverd voor verschillende industrieën (vooral de materiaalkunde).
Gelukkig hebben wetenschappers ultrasnelle lasers ten volle kunnen benutten om de eigenschappen van verschillende materialen te veranderen. Met hun ultrahoge resolutie en korte pulsvoordeel zijn ultrasnelle lasers de beste keuze geworden voor het nauwkeurig versterken van specifieke toepassingen.
Onlangs is er een sterke belangstelling geweest op het gebied van het gebruik van ultrasnelle lasers om parameters op nanoschaal te genereren in zowel de onderzoeks- als de commerciële materiaalwetenschapsector. De mondiale industriële focus op miniaturisatie en de opkomst van nieuwe productietechnieken en gereedschappen, zoals ultrasnelle lasers, hebben ertoe geleid dat kleinere, compactere producten worden vervaardigd.
In een recent artikel in het tijdschrift Nanophotonics wordt opgemerkt dat de meest geavanceerde methode die in de industrie wordt gebruikt om een grote verscheidenheid aan materialen, vooral vaste stoffen, vorm te geven, bestaat uit het richten van een ultrasnelle laser met hoge energie op het oppervlak met voldoende intensiteit om het materiaal te stimuleren en te verwijderen.
Naast het directe ablatieproces treedt er een ander structurerend fenomeen op waarbij gebruik wordt gemaakt van ultrasnelle lasers wanneer het oppervlak wordt geëxciteerd. Dit houdt in dat de oppervlaktemorfologie wordt omgezet in een regelmatig patroon met een periodiciteit onder de golflengte, de zogenaamde ultrasnelle laser-geïnduceerde periodieke oppervlaktestructuur.
Het oorspronkelijke concept, dat cruciaal was voor bulk-nanostructurering, omvatte de zogenaamde "micro-explosie". Dit concept omvat de stimulatie van een dicht plasma met ultrasnelle lasers, wat leidt tot de ontwikkeling van grote elektronendrukken, schokgolven en zeldzame elementen op multi-millibar-niveaus. Structuren op nanoschaal worden gerealiseerd door de nauwkeurige focussering van ultrasnelle lasers.
De toepassingsgebieden van ultrasnelle laserpreparatie van nanostructuren zijn breed en gevarieerd. Ze beschikken over hoogwaardige capaciteiten op het gebied van de optica, mechanica en biologie, vooral wanneer de structuren voorkomen in het optische golflengtebereik - wat kan worden toegeschreven aan eigenschappen die verband houden met oppervlaktemorfologie, specifieke oppervlaktekenmerken of kenmerkgroottes.
Ultrasnelle lasers: de enige effectieve manier om keramiek te lassen
De moderne productie is sterk afhankelijk van lassen, maar betrouwbaar keramisch lassen met conventionele methoden blijft een ongrijpbaar doel. Dezelfde uitstekende weerstand tegen hoge temperaturen die technisch keramiek onmisbaar maakt voor veel uitdagende toepassingen, brengt ook aanzienlijke uitdagingen met zich mee bij het verbinden van keramiek.
Een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift Science benadrukt echter de voordelen van ultrasnel laserlassen van keramiek. De precieze energieafgifte van ultrasnelle lasers speelt een sleutelrol bij additieve productie en heeft het potentieel om zeer effectief te zijn bij het verbinden van keramiek. Er zijn met name succesvolle voorbeelden geweest van het verbinden van verschillende glassoorten met ultrasnelle lasers.
Sommige glassoorten die met succes zijn gelast met ultrasnelle lasers (bijv. borosilicaten) hebben een lagere breuktaaiheid en thermische schokbestendigheid vergeleken met typische technische keramiek (bijv. gestabiliseerd zirkoniumoxide en aluminiumoxide). Het vermogen om succesvolle ultrasnelle laserverbindingen in keramiek te realiseren, hangt af van het vermogen van de laser om in het materiaal te focussen, wat niet-lineaire en multifoton-absorptieprocessen teweegbrengt die leiden tot plaatselijke absorptie en smelten.
Wetenschappers hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor ultrasnel gepulseerd laserlassen. De techniek richt licht op een grensvlak in het keramiek, waardoor een optische interactor ontstaat die niet-lineaire absorptieprocessen stimuleert, wat leidt tot plaatselijk smelten in plaats van ablatie van het keramische oppervlak. De sleutelfactoren in dit onderzoek zijn de interactie tussen lineaire en niet-lineaire optische eigenschappen en de effectieve koppeling van de laserenergie aan het materiaal.
Keramische componenten die met deze laserlasmethode zijn geproduceerd, behouden niet alleen hoge vacuümomstandigheden, maar vertonen ook schuifsterktes die vergelijkbaar zijn met metaal-keramische diffusieverbindingen. Laserlassen maakt nu de integratie van keramiek mogelijk in apparaten voor gebruik in ruwe omgevingen, maar ook in pakketten voor opto-elektronica en elektronica die transparantie in het zichtbare radiospectrum vereisen.
Ultrasnelle lasers vinden een bijzondere veelzijdigheid bij het lassen van transparant keramiek omdat ze door het materiaal kunnen worden gefocusseerd. Hierdoor kunnen complexere geometrieën in meerdere interactiegebieden worden samengevoegd, waardoor het potentiële lasvolume wordt vergroot.
Ultrasnelle lasers voor materiaalverwerking
Het gebruik van ultrasnelle lasers voor materiaalverwerking heeft zich de afgelopen tien jaar aanzienlijk ontwikkeld, waarbij wetenschappelijke, technologische en industriële toepassingen steeds duidelijker worden.
Op het gebied van ultrasnelle lasers voor productie wordt lichtenergie gebruikt in pulsen van strak gefocusseerde femtoseconde- of picoseconde ultrasnelle lasers en gericht op zeer specifieke locaties in het materiaal. Dit wordt bereikt door excitatie van twee of meerdere fotonen, die op een veel snellere tijdschaal plaatsvindt dan de uitwisseling van thermische energie tussen door licht opgewekte elektronen en roosterionen.
Wetenschappers hebben nu de grootste precisie bereikt bij het beheren van de foto-ionisatie van ultrasnelle lasers en thermische processen, waardoor gelokaliseerde fotomodificatie van gebieden kleiner dan 100 nanometer mogelijk is.
Ultrasnelle lasers werken doorgaans in continue golf (CW) of gepulseerde modi bij golflengten van 10 μm of 1 μm en hebben al aanzienlijke bijdragen geleverd op het gebied van de automobiel-, architectuur- en markeer- en etiketteringssector, volgens een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Light: Science en toepassingen.
Ultrasnelle lasers zoals femtoseconde (fs) lasers spelen bijvoorbeeld een belangrijke rol in toepassingen die hoge precisie vereisen, vooral als het gaat om oppervlakken en bulkstructuren van broze en harde transparante materialen. Bovendien blijken ultrasnelle lasers zoals femtoseconde-laserstructuren zeer effectief te zijn wanneer composieten en gelaagde materialen op een complexe 3D-manier ingewikkeld moeten worden gestructureerd.
Uitdagingen bij ultrasnelle laserverwerking
Het verwerken en functionaliteitiseren van materialen met ultrasnelle lasers is een fascinerend proces; Zoals een recent artikel in Advanced Optical Technologies echter aangeeft, zijn er enkele uitdagingen in het proces die moeten worden overwonnen.
Veel moderne ultrasnelle lasers ablateren tot een diepte van slechts een paar honderd nanometer. Dit betekent dat een groot aantal ultrasnelle laserpulsen naar één enkel gebied moeten worden gestuurd om het materiaal te ablateren. Bovendien is uit recent onderzoek gebleken dat Gaussiaanse ultrasnelle lasers een materiaalverwerkingsefficiëntie hebben tot ongeveer 12 procent - een efficiëntiepercentage dat veel nieuwe mogelijkheden opent voor industriële toepassingen van Gaussiaanse ultrasnelle lasers.
Verwerkingsoptiek, een belangrijk onderdeel van ultrasnelle lasers, kan niet-lineaire effecten veroorzaken die de kenmerken van de uitgezonden puls veranderen. Dit kan van invloed zijn op parameters zoals pulsduur en het spectrum van de ultrasnelle laser. In extreme gevallen kan de intense energie in de optiek leiden tot de vernietiging van het doelmateriaal door de ultrasnelle laser.
Ultrasnelle lasers hebben een breed scala aan toepassingen in de materiaalkunde. Met de combinatie van vooruitgang in kunstmatige intelligentietechnologie en big data-analyse zal er hopelijk een betrouwbaardere correlatie tussen proces, structuur en prestatie tot stand worden gebracht in ultrasnelle lasermateriaalverwerkingstoepassingen in de materiaalkunde. Verwacht wordt dat deze aanpak het gebruik van ultrasnelle lasers bij de additieve productie van materialen zal vereenvoudigen, de rekennauwkeurigheid zal verbeteren en een effectief middel zal bieden om een verscheidenheid aan commerciële doelen te bereiken.
