Heutzutage werden ultraschnelle Laser (z. B. Pikosekunden- und Femtosekundenlaser) häufig in der Materialwissenschaft und -technik eingesetzt. Und die Fortschritte bei Verstärkungssystemen haben die Entwicklung auf dem Gebiet der Ultrakurzpulslaser erheblich vorangetrieben und verschiedenen Branchen (insbesondere der Materialwissenschaft) große Vorteile gebracht.
Glücklicherweise konnten Wissenschaftler die Vorteile ultraschneller Laser voll ausnutzen, um die Eigenschaften verschiedener Materialien zu verändern. Mit ihrer ultrahohen Auflösung und dem Vorteil kurzer Impulse sind ultraschnelle Laser zur besten Wahl für die präzise Förderung spezifischer Anwendungen geworden.
In jüngster Zeit besteht ein starkes Interesse am Einsatz ultraschneller Laser zur Erzeugung nanoskaliger Parameter sowohl im Forschungs- als auch im kommerziellen Bereich der Materialwissenschaften. Der weltweite Fokus der Industrie auf Miniaturisierung und die Verbreitung neuer Fertigungstechniken und -werkzeuge wie ultraschnelle Laser haben zur Herstellung kleinerer, kompakterer Produkte geführt.
In einem aktuellen Artikel in der Fachzeitschrift Nanophotonics heißt es, dass die fortschrittlichste Methode, die in der Industrie zur Formung einer Vielzahl von Materialien, insbesondere Festkörpern, eingesetzt wird, darin besteht, einen hochenergetischen Ultrakurzpulslaser mit ausreichender Intensität auf die Oberfläche zu richten, um das Material zu stimulieren und zu entfernen.
Zusätzlich zum direkten Ablationsprozess tritt ein weiteres Strukturierungsphänomen unter Verwendung ultraschneller Laser auf, wenn die Oberfläche angeregt wird. Dabei wird die Oberflächenmorphologie in ein regelmäßiges Muster mit Subwellenlängenperiodizität umgewandelt, die sogenannte ultraschnelle laserinduzierte periodische Oberflächenstruktur.
Das ursprüngliche Konzept, das für die Nanostrukturierung in großen Mengen entscheidend war, beinhaltete die sogenannte „Mikroexplosion“. Dieses Konzept beinhaltet die Anregung eines dichten Plasmas mit ultraschnellen Lasern, was zur Entwicklung großer Elektronendrücke, Stoßwellen und seltener Elemente im Bereich von mehreren Millibar führt. Nanoskalige Strukturen werden durch die präzise Fokussierung ultraschneller Laser realisiert.
Die Anwendungsgebiete der ultraschnellen Laserpräparation von Nanostrukturen sind vielfältig. Sie verfügen über hohe Leistungsfähigkeiten in der Optik, Mechanik und Biologie, insbesondere wenn die Strukturen im optischen Wellenlängenbereich auftreten – was auf Eigenschaften im Zusammenhang mit der Oberflächenmorphologie, spezifischen Oberflächenmerkmalen oder Strukturgrößen zurückzuführen ist.
Ultrakurzpulslaser: die einzig effektive Möglichkeit, Keramik zu schweißen
Die moderne Fertigung ist stark auf Schweißen angewiesen, doch zuverlässiges Keramikschweißen mit konventionellen Methoden bleibt ein schwer erreichbares Ziel. Die gleiche hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit, die technische Keramik für viele anspruchsvolle Anwendungen unverzichtbar macht, stellt auch beim Fügen von Keramik große Herausforderungen dar.
Ein kürzlich in der Fachzeitschrift Science veröffentlichter Artikel hebt jedoch die Vorteile des ultraschnellen Laserschweißens von Keramik hervor. Die präzise Energieabgabe durch Ultrakurzpulslaser spielt eine Schlüsselrolle in der additiven Fertigung und hat das Potenzial, beim Fügen von Keramiken äußerst effektiv zu sein. Insbesondere gibt es erfolgreiche Beispiele für das Fügen verschiedener Glasarten mit ultraschnellen Lasern.
Einige der Gläser, die erfolgreich mit ultraschnellen Lasern geschweißt wurden (z. B. Borosilikate), weisen im Vergleich zu typischen technischen Keramiken (z. B. stabilisiertes Zirkonoxid und Aluminiumoxid) eine geringere Bruchzähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit auf. Die Fähigkeit, eine erfolgreiche ultraschnelle Laserverbindung in Keramik zu erreichen, hängt von der Fähigkeit des Lasers ab, sich im Inneren des Materials zu fokussieren, was nichtlineare und Multiphotonen-Absorptionsprozesse auslöst, die zu lokaler Absorption und Schmelzen führen.
Wissenschaftler haben eine neuartige Methode zum ultraschnellen gepulsten Laserschweißen entwickelt. Die Technik fokussiert Licht auf eine Grenzfläche innerhalb der Keramik und erzeugt so einen optischen Interaktor, der nichtlineare Absorptionsprozesse stimuliert, die zu einem lokalen Schmelzen statt zu einer Ablation der Keramikoberfläche führen. Die Schlüsselfaktoren dieser Forschung sind das Zusammenspiel zwischen linearen und nichtlinearen optischen Eigenschaften und die effektive Kopplung der Laserenergie an das Material.
Mit diesem Laserschweißverfahren hergestellte Keramikbauteile halten nicht nur Hochvakuumbedingungen aufrecht, sondern weisen auch Scherfestigkeiten auf, die mit Metall-Keramik-Diffusionsverbindungen vergleichbar sind. Das Laserschweißen ermöglicht nun die Integration von Keramik in Geräte für den Einsatz in rauen Umgebungen sowie in Gehäuse für Optoelektronik und Elektronik, die Transparenz im sichtbaren Funkspektrum erfordern.
Ultrakurzpulslaser sind besonders vielseitig beim Schweißen transparenter Keramik einsetzbar, da sie durch das Material hindurch fokussiert werden können. Dadurch können komplexere Geometrien in mehreren Interaktionsbereichen gefügt werden, wodurch das potenzielle Schweißvolumen erweitert wird.
Ultraschnelle Laser zur Materialbearbeitung
Der Einsatz ultraschneller Laser zur Materialbearbeitung hat sich im letzten Jahrzehnt erheblich weiterentwickelt, wobei wissenschaftliche, technologische und industrielle Anwendungen immer offensichtlicher werden.
Im Bereich der Ultrakurzpulslaser für die Fertigung wird Lichtenergie in Impulsen von eng fokussierten Femtosekunden- oder Pikosekunden-Ultrakurzsekundenlasern genutzt und auf ganz bestimmte Stellen im Material gerichtet. Dies wird durch Zwei- oder Mehrphotonenanregung erreicht, die auf einer viel schnelleren Zeitskala erfolgt als der Austausch thermischer Energie zwischen lichtangeregten Elektronen und Gitterionen.
Wissenschaftler haben nun die höchste Präzision bei der Steuerung der Photoionisierung ultraschneller Laser und thermischer Prozesse erreicht und ermöglichen so die lokalisierte Photomodifizierung von Regionen, die kleiner als 100 Nanometer sind.
Ultraschnelle Laser arbeiten typischerweise im Dauerstrich- (CW) oder gepulsten Modus bei Wellenlängen von 10 μm oder 1 μm und haben laut einem in der Zeitschrift Light: Science veröffentlichten Artikel bereits bedeutende Beiträge in den Bereichen Automobil, Architektur sowie Markierung und Etikettierung geleistet und Anwendungen.
Beispielsweise spielen ultraschnelle Laser wie Femtosekundenlaser (fs) eine wichtige Rolle bei Anwendungen, die eine hohe Präzision erfordern, insbesondere wenn es um Oberflächen und Volumenstrukturen spröder und harter transparenter Materialien geht. Darüber hinaus erweisen sich ultraschnelle Laser wie Femtosekundenlaserstrukturen als sehr effektiv, wenn Verbundwerkstoffe und Schichtmaterialien auf komplexe 3D-Art und Weise komplex strukturiert werden müssen.
Herausforderungen bei der ultraschnellen Laserbearbeitung
Die Bearbeitung und Funktionalisierung von Materialien mit ultraschnellen Lasern ist ein faszinierender Prozess; Wie jedoch in einem aktuellen Artikel in Advanced Optical Technologies hervorgehoben wird, gibt es bei diesem Prozess einige Herausforderungen, die bewältigt werden müssen.
Viele moderne Ultrakurzpulslaser tragen nur bis zu einer Tiefe von wenigen hundert Nanometern ab. Das bedeutet, dass eine große Anzahl ultraschneller Laserpulse auf einen einzigen Bereich gerichtet werden muss, um das Material abzutragen. Darüber hinaus wurde in jüngsten Studien gezeigt, dass Gaußsche Ultrakurzpulslaser eine Materialbearbeitungseffizienz von bis zu etwa 12 Prozent aufweisen – ein Wirkungsgrad, der viele neue Möglichkeiten für industrielle Anwendungen von Gaußschen Ultrakurzpulslasern eröffnet.
Bearbeitungsoptiken, ein wichtiger Bestandteil ultraschneller Laser, können nichtlineare Effekte verursachen, die die Eigenschaften des emittierten Impulses verändern. Dadurch können Parameter wie die Pulsdauer und das Spektrum des Ultrakurzpulslasers beeinflusst werden. Im Extremfall kann die starke Energie im Inneren der Optik zur Zerstörung des Zielmaterials durch den ultraschnellen Laser führen.
Ultrakurzpulslaser haben ein breites Anwendungsspektrum in der Materialwissenschaft. Durch die Kombination von Fortschritten in der Technologie der künstlichen Intelligenz und der Big-Data-Analyse wird hoffentlich eine zuverlässigere Korrelation zwischen Prozess, Struktur und Leistung bei ultraschnellen Lasermaterialbearbeitungsanwendungen in der Materialwissenschaft hergestellt. Es wird erwartet, dass dieser Ansatz den Einsatz ultraschneller Laser in der additiven Materialfertigung vereinfacht, die Rechengenauigkeit verbessert und ein wirksames Mittel zur Erreichung einer Vielzahl kommerzieller Ziele bietet.
