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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

右側(cè)：John Marciante研制了一個準確測量光纖的裝置，左起分別為研究生Swati Bhargava，Christopher 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>”。

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。”