激光造就的超级防水金属

来源:phys.org    关键词:激光防水金属,    

 

右侧:John Marciante研制了一个准确测量光纤的装置,左起分别为研究生Swati Bhargava,Christopher Marsh 15和研究生Yao Haomin,大家一起在Goergen 大厅的实验室参加会议。图片来源:罗切斯特大学照片/ J. Adam Fenster

 

在罗切斯特大学的实验室里,研究人员正使用激光以不可思议的方式改变了金属表面,使其在不使用特殊涂层(如油漆或溶剂)的情况下,就具有超强的防水性。

目前该技术的商业应用包括商用飞机和大型卡车的除冰,暴露金属表面的防锈和防腐蚀,以及用于手术和医疗设施表面的清洁抗菌。但为了确保该技术的商业可行性,激光器本身配置必须更加高。

现在风险投资支持的技术公司FemtoRoc Corp 正在与光学副教授John Marciante以及大学光学研究所共同开展一项联合研究项目,来开发更强大的激光器。该项目预计耗时六年,研究预算约为1000万美元。

Marciante说:“他们[FemtoRoc]需要的是一种高功率、超高速、飞秒级激光系统,平均功率以千瓦为单位,而不是现在市售的10瓦。所以,我们要放大10倍,这是一项非常雄心勃勃的任务。”

专有的超疏水技术使用激光来创建微米和纳米级结构的复杂图案,使处理后的金属表面具备了一组新的物理特性。

2015年,光学教授Chunlei Guo和光学研究所高级科学家Anatoliy Vorobyev描述了他们用来永久改变金属表面的极其强大但超短的激光脉冲。

郭教授和Vorobyev教授已经成功地使用该技术改造了一种金属,其不仅具有极强防水性的金属表面,而且还能够吸水。郭教授的实验室还发明了一种处理金属表面以吸收几乎所有波长的环境光的工艺,并且具有广泛的商业应用,包括薄型超高效太阳能电池。

然而,在实验室需要大约一个小时的时间才能使用商用的低功率激光器对1×1英寸的金属样品进行图案化。因此需要更强大、超快速的飞秒激光脉冲来加速该过程,才能保证该技术的可行性。

为了开发性能更高的激光器,专门研发先进的高功率光纤激光器的Marciante实验室将要完成两大挑战。

一个挑战是激光束通常被限制在常规设计的光纤中,其芯径通常非常小。在放大激光功率时,太多的光线集中在光纤芯中,非线性特性增加,导致激光束变宽或被调制。

Marciante解释说:“当你试图将光束压缩成短脉冲时,会有很多能量与之冲突,会将可用功率分散开来,或者不集中在你想要的地方。”

第二个挑战是过热问题。Marciante说:“你将激光束的一端抽到一个能级,然后在另一端以较低的能量提取激光束,并且没有任何工艺具有100%的热效率,因此额外的能量会在光纤中结束。纤维会变得非常热,甚至会融化”。

 

 

 

Marciante除了做自己团队的研究之外,还利用美国和海外资深研究人员的网络,引入了具有成熟光纤设计和制造能力的第三方供应商。

Marciante的研究已经产生了以下成果:专有的更大芯径光纤,具有卓越的激光束质量,并可与高功率超快飞秒光纤激光器兼容,这就大大降低专有光纤核心中非线性效应。Marciante表示,原则上,如果你将纤维长度减半,你可以增加两倍的能量,但代价是,你也要转移到一半的热量。”

 

 

 

Marciante补充道,这是一个非常激动人心的挑战,世界上没有人能够对金属表面进行这种特殊类型的飞秒激光处理,使用这项技术推出商业产品将成为真正的游戏改变者,这是创造新科学的一个千载难逢的机会。

2019-11-04
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