Avui en dia, els làsers ultraràpides (per exemple, els làsers de picosegons i femtosegons) s'han utilitzat àmpliament en el camp de la ciència i l'enginyeria dels materials. I el progrés aconseguit en els sistemes d'amplificació ha afavorit molt el desenvolupament del camp dels làsers ultraràpids, aportant grans beneficis a diverses indústries (especialment la ciència dels materials).
Afortunadament, els científics han pogut aprofitar al màxim els làsers ultra ràpids per canviar les propietats de diversos materials. Amb la seva resolució ultra alta i l'avantatge de pols curt, els làsers ultra ràpids s'han convertit en la millor opció per augmentar amb precisió aplicacions específiques.
Recentment, hi ha hagut un gran interès en el camp de la utilització de làsers ultraràpids per generar paràmetres a nanoescala tant en el sector de la investigació com de la ciència dels materials comercials. L'enfocament industrial global en la miniaturització i l'augment de noves tècniques i eines de fabricació, com ara làsers ultraràpids, han donat lloc a la fabricació de productes més petits i compactes.
Un article recent de la revista Nanophotonics assenyala que el mètode més avançat utilitzat a la indústria per donar forma a una gran varietat de materials, especialment sòlids, és dirigir un làser ultraràpid d'alta energia a la seva superfície amb la intensitat suficient per estimular i eliminar el material.
A més del procés d'ablació directa, un altre fenomen d'estructuració que utilitza làsers ultraràpids es produeix quan la superfície està excitada; això implica transformar la morfologia de la superfície en un patró regular amb periodicitat de longitud d'ona inferior, anomenat estructura superficial periòdica induïda per làser ultraràpida.
El concepte original, que era crucial per a la nanoestructuració a granel, implicava l'anomenada "microexplosió". Aquest concepte implica l'estimulació d'un plasma dens amb làsers ultraràpids, que condueix al desenvolupament de grans pressions d'electrons, ones de xoc i elements rars a nivells multimilibars. Les estructures a nanoescala es realitzen mitjançant l'enfocament precís de làsers ultraràpids.
Els camps d'aplicació de la preparació làser ultraràpida de nanoestructures són amplis i variats. Tenen capacitats d'alt rendiment en òptica, mecànica i biologia, especialment quan les estructures es produeixen en el rang de longitud d'ona òptica, que es pot atribuir a propietats relacionades amb la morfologia de la superfície, les característiques específiques de la superfície o les mides de les característiques.
Làsers ultra ràpids: l'única manera eficaç de soldar ceràmica
La fabricació moderna depèn en gran mesura de la soldadura, però la soldadura ceràmica fiable per mètodes convencionals segueix sent un objectiu esquivant. La mateixa excel·lent resistència a les altes temperatures que fa que la ceràmica d'enginyeria sigui indispensable per a moltes aplicacions difícils també planteja reptes importants a l'hora d'unir ceràmica.
Un article recent publicat a la revista Science, però, destaca els beneficis de la soldadura làser ultraràpida de la ceràmica. El lliurament d'energia precís que proporcionen els làsers ultraràpids té un paper clau en la fabricació additiva i té el potencial de ser altament eficaç per unir ceràmiques. En particular, hi ha hagut exemples reeixits d'unir diversos tipus de vidre amb làsers ultraràpids.
Alguns dels vidres que s'han soldat amb èxit amb làsers ultraràpids (per exemple, borosilicats) tenen menor tenacitat a la fractura i resistència als xocs tèrmics en comparació amb les ceràmiques d'enginyeria típiques (per exemple, zirconi estabilitzat i alúmina). La capacitat d'aconseguir una unió làser ultraràpida amb èxit en ceràmica depèn de la capacitat del làser per enfocar-se a l'interior del material, que desencadena processos d'absorció no lineal i multifotòn que condueixen a l'absorció i la fusió localitzades.
Els científics han desenvolupat un mètode nou per a la soldadura làser per pols ultraràpida. La tècnica centra la llum en una interfície dins de la ceràmica, creant un interactor òptic que estimula processos d'absorció no lineal que condueixen a la fusió localitzada en lloc de l'ablació de la superfície ceràmica. Els factors clau en aquesta investigació són la interacció entre les propietats òptiques lineals i no lineals i l'acoblament efectiu de l'energia làser al material.
Els components ceràmics produïts mitjançant aquest mètode de soldadura làser no només mantenen condicions de buit elevats, sinó que també presenten forces de cisalla comparables a les enllaços de difusió metall-ceràmica. La soldadura làser permet ara la integració de la ceràmica en dispositius per al seu ús en entorns durs, així com en paquets per a optoelectrònica i electrònica que requereixen transparència en l'espectre radioelèctric visible.
Els làsers ultra ràpids troben una particular versatilitat en la soldadura de ceràmica transparent perquè es poden enfocar a través del material. Això permet unir geometries més complexes en múltiples regions d'interacció, ampliant així el volum potencial de soldadura.
Làsers ultra ràpids per al processament de materials
L'ús de làsers ultraràpides per al processament de materials s'ha desenvolupat considerablement durant l'última dècada, amb les aplicacions científiques, tecnològiques i industrials cada cop més evidents.
En el camp dels làsers ultraràpids per a la fabricació, l'energia de la llum s'utilitza en polsos de làsers ultraràpids de femtosegons o picosegons molt enfocats i es dirigeix a llocs molt específics dins del material. Això s'aconsegueix mitjançant l'excitació de dos o diversos fotons, que es produeix a una escala de temps molt més ràpida que l'intercanvi d'energia tèrmica entre electrons excitats per la llum i ions de xarxa.
Els científics han aconseguit ara la màxima precisió en la gestió de la fotoionització de làsers ultraràpides i processos tèrmics, permetent la fotomodificació localitzada de regions de menys de 100 nanòmetres.
Els làsers ultraràpids solen funcionar en modes d'ona contínua (CW) o polsats a longituds d'ona de 10 μm o 1 μm i ja han fet contribucions significatives en els camps de l'automoció, l'arquitectura i el marcatge i l'etiquetatge, segons un article publicat a la revista Light: Science. i Aplicacions.
Per exemple, els làsers ultraràpides com els làsers femtosegons (fs) tenen un paper important en aplicacions que requereixen alta precisió, especialment quan es tracta de superfícies i estructures massives de materials transparents fràgils i durs. A més, els làsers ultraràpides com les estructures làser de femtosegons demostren ser molt efectius quan els materials compostos i en capes s'han d'estructurar de manera complexa d'una manera 3D complexa.
Reptes en el processament làser ultraràpid
El processament i la funcionalització de materials amb làsers ultraràpids és un procés fascinant; tanmateix, com assenyala un article recent a Advanced Optical Technologies, hi ha alguns reptes en el procés que cal superar.
Molts làsers ultraràpides moderns s'aboquen a una profunditat de només uns pocs centenars de nanòmetres. Això significa que cal dirigir un gran nombre de polsos làser ultra ràpids a una sola regió per eliminar el material. A més, en estudis recents, s'ha demostrat que els làsers gaussians ultraràpides tenen eficiències de processament de materials de fins a un 12 per cent, un percentatge d'eficiència que obre moltes possibilitats noves per a aplicacions industrials dels làsers ultraràpids gaussians.
L'òptica de processament, un component important dels làsers ultraràpids, pot provocar efectes no lineals que canvien les característiques del pols emès. Això pot afectar paràmetres com la durada del pols i l'espectre del làser ultraràpid. En casos extrems, l'energia intensa dins de l'òptica pot conduir a la destrucció del material objectiu pel làser ultraràpid.
Els làsers ultraràpids tenen una àmplia gamma d'aplicacions en la ciència dels materials. Amb la combinació dels avenços en la tecnologia d'intel·ligència artificial i l'anàlisi de grans dades, s'espera que s'estableixi una correlació més fiable entre procés, estructura i rendiment en aplicacions de processament de materials làser ultraràpides en ciència dels materials. S'espera que aquest enfocament simplifiqui l'ús de làsers ultraràpides en la fabricació additiva de materials, millori la precisió computacional i proporcioni un mitjà eficaç per assolir una varietat d'objectius comercials.
