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飛秒激光加工技術(shù)在超疏水金屬表面處理中的前沿研究

發(fā)布時間:2019-11-04 來源:元祿光電

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右側(cè):John Marciante研制了一個準(zhǔn)確測量光纖的裝置,左起分別為研究生Swati BhargavaChristopher Marsh 15和研究生Yao Haomin,大家一起在Goergen 大廳的實驗室參加會議。圖片來源:羅切斯特大學(xué)照片/ J. Adam Fenster

 

在羅切斯特大學(xué)的實驗室里,研究人員正使用激光以不可思議的方式改變了金屬表面,使其在不使用特殊涂層(如油漆或溶劑)的情況下,就具有超強的防水性。

 

目前該技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用包括商用飛機和大型卡車的除冰,暴露金屬表面的防銹和防腐蝕,以及用于手術(shù)和醫(yī)療設(shè)施表面的清潔抗菌。但為了確保該技術(shù)的商業(yè)可行性,激光器本身配置必須更加高。

 

現(xiàn)在風(fēng)險投資支持的技術(shù)公司FemtoRoc Corp 正在與光學(xué)副教授John Marciante以及大學(xué)光學(xué)研究所共同開展一項聯(lián)合研究項目,來開發(fā)更強大的激光器。該項目預(yù)計耗時六年,研究預(yù)算約為1000萬美元。

 

Marciante說:他們[FemtoRoc]需要的是一種高功率、超高速、飛秒級激光系統(tǒng),平均功率以千瓦為單位,而不是現(xiàn)在市售的10瓦。所以,我們要放大10倍,這是一項非常雄心勃勃的任務(wù)。

 

專有的超疏水技術(shù)使用激光來創(chuàng)建微米和納米級結(jié)構(gòu)的復(fù)雜圖案,使處理后的金屬表面具備了一組新的物理特性。

 

2015年,光學(xué)教授Chunlei Guo和光學(xué)研究所高級科學(xué)家Anatoliy Vorobyev描述了他們用來永久改變金屬表面的極其強大但超短的激光脈沖。

 

郭教授和Vorobyev教授已經(jīng)成功地使用該技術(shù)改造了一種金屬,其不僅具有極強防水性的金屬表面,而且還能夠吸水。郭教授的實驗室還發(fā)明了一種處理金屬表面以吸收幾乎所有波長的環(huán)境光的工藝,并且具有廣泛的商業(yè)應(yīng)用,包括薄型超高效太陽能電池。

 

然而,在實驗室需要大約一個小時的時間才能使用商用的低功率激光器對1×1英寸的金屬樣品進行圖案化。因此需要更強大、超快速的飛秒激光脈沖來加速該過程,才能保證該技術(shù)的可行性。

 

為了開發(fā)性能更高的激光器,專門研發(fā)先進的高功率光纖激光器的Marciante實驗室將要完成兩大挑戰(zhàn)。

 

一個挑戰(zhàn)是激光束通常被限制在常規(guī)設(shè)計的光纖中,其芯徑通常非常小。在放大激光功率時,太多的光線集中在光纖芯中,非線性特性增加,導(dǎo)致激光束變寬或被調(diào)制。

 

Marciante解釋說:當(dāng)你試圖將光束壓縮成短脈沖時,會有很多能量與之沖突,會將可用功率分散開來,或者不集中在你想要的地方。

 

第二個挑戰(zhàn)是過熱問題。Marciante說:你將激光束的一端抽到一個能級,然后在另一端以較低的能量提取激光束,并且沒有任何工藝具有100%的熱效率,因此額外的能量會在光纖中結(jié)束。纖維會變得非常熱,甚至?xí)诨?/span>”。

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Marciante除了做自己團隊的研究之外,還利用美國和海外資深研究人員的網(wǎng)絡(luò),引入了具有成熟光纖設(shè)計和制造能力的第三方供應(yīng)商。

 

Marciante的研究已經(jīng)產(chǎn)生了以下成果:專有的更大芯徑光纖,具有卓越的激光束質(zhì)量,并可與高功率超快飛秒光纖激光器兼容,這就大大降低專有光纖核心中非線性效應(yīng)。Marciante表示,原則上,如果你將纖維長度減半,你可以增加兩倍的能量,但代價是,你也要轉(zhuǎn)移到一半的熱量。

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Marciante補充道,這是一個非常激動人心的挑戰(zhàn),世界上沒有人能夠?qū)饘俦砻孢M行這種特殊類型的飛秒激光加工處理,使用這項技術(shù)推出商業(yè)產(chǎn)品將成為真正的游戲改變者,這是創(chuàng)造新科學(xué)的一個千載難逢的機會。


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