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超快工程学 到底有多快
发布:shadow   时间:2015/4/21 13:02:41   阅读:1572 
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材料与测试:超快工程学 到底有多快1

快节奏的微/纳米制造领域的发展速度甚至超出了你的想象。到底有多快?就像飞秒那样快,即一秒的千万亿分之一。这是当今超快激光系统中更小、更智能的用于测量和操作小分子构建模块的时间标度。
超快激光系统在如微/纳机电系统工程、生物医学和电池研发中扮演着多重角色。该系统产生的可控的、高功率的飞秒脉冲能量,在高精度的材料加工任务中是非常有用的,如钻孔、焊接、切割和烧蚀。作为用于化学反应的光谱或微观研究的辐射光源,它们阐明了复杂的原子和分子的发生过程。

飞秒闪回
通过将超快激光应用于实时反应的研究中,加州理工学院的化学家Ahmed Zewail获得了1999年的诺贝尔奖,结束了一个世纪以来对化学键性质的艰苦研究。他的成就是建立在20世纪60-70年代为加快染料激光器的可用性而做出的努力,该激光染料器的使用对于当时大部分实验室的化学物理精英们来说太过复杂且低效。第一次相干的飞秒激光脉冲是贝尔实验室于20世纪80年代早期实现的,最终它们通过一种古老的探索化学键本质,分子振动,和反应动力学问题的方式,提供了实验对象。掺杂钛的蓝宝石激光器出现在1986年,紧跟的是克尔透镜锁模(KLM)钛激光器:五年之后在该领域对蓝宝石系统来说是一个转折点,为今天的飞秒和次飞秒固态激光器,半导体和纤维激光器系统的广泛使用创造了条件。
 
材料与测试:超快工程学 到底有多快2

例如,今年2月,美国能源部SLAC国家加速器实验室(美国加州门洛帕克)公布他们实现了那些曾经认为不可能的任务:可视化一个分子诞生的第一阶段,即所谓的当两个原子开始结合时的过渡状态。“因为在任何特定的时刻,过渡状态的分子都极不稳定,没有人认为我们能够看到它,”SLAC项目负责人Anders Nilsson如是说。那些关键实验都是在SLAC直线性连续加速器光源下进行的,它们使用超快x射线激光脉冲,在一个新光源中揭示化学反应,在一个样本的构成原子中揭示电子的细微变化。对于工程师来说,诸如此类的基本突破将会激发出大量新的实用可能性,就像过去取得的那些成就为最近的技术和应用铺平了道路,比如下面重点突出的这些。
 
生物医学
飞秒激光技术带给用户最直接的受益就是在医疗保健领域。超快应用贯穿于医疗保健中的光学频谱,从生物分子成像到临床诊断手术医疗设备制造。从商业角度来看最引人注目的是LASIK手术对矫正视力带来的超快变化。它本身有多种名称,无需钢刀或全激光LASIK手术首次出现于2000年,并于2001年获美国食品和药物管理局(FDA)批准。通过使用超快激光代替传统手工操作的微型角膜钢刀,无刀的LASIK手术使外科医生能更容易地在角膜中创建精确的“垂悬平片”,从而使手术更安全,病人更快地恢复。人们也正在研究将超短激光手术应用于骨骼和软骨的修复,组织工程、皮肤病、肿瘤切除及术中诊断。
 
材料与测试:超快工程学 到底有多快3

先进制造技术
在纳米技术领域中的超快激光涉及直写3D光刻,计量、微加工和沉积技术。双光子法是建立于传统的照相平印术基础之上的。而超快激光大大增加了该技术的速度和精度,同时又消除了使用分划板或光掩模的必要性。它是基于光敏聚合物树脂的使用,这些树脂是通过在已知的波长中吸收聚集的激光进行处理的。
Nanoscribe是德国卡尔斯鲁厄理工学院的副产品,其称该产品使用的工作原理使其成为市场上分辨率最高的3D打印机。Photonic Professional和Photonic Professional GT系统结合了3D印制技术的优点,同时将无掩模的激光光刻技术应用于3D微/纳米制造中,Nanoscribe的发言人Anke Werner如是说。系统的次微米分辨率性能是其整个近红外线光纤激光系统的一个函数,结合高激光功率与高数值孔径聚焦光学器件,其产生的激光光斑尺寸小至足以能够创建出亚毫米波特性。
 
直写系统要么在固定光束/移动样本(FBMS)的模式中运行,要么在一个高速移动光束/固定样本(MBFS)叠层的模式中运行。在FBMS模式中,激光光束集中在一个固定的位置,而压电致动器在三维中移动衬底,从而以精确的轨迹对树脂进行处理。MBFS模式使用类似于那些用于光显示和DVD播放器的振镜式反射镜从而横向扫描激光光束,实现对衬底的精确接触。Werner表示公司的技术定位于科学、工业和医疗应用领域。
 
新一代电池
随着全电动汽车和全球不断增长以电池驱动的个人设备的快速发展,人们对于更环保,更高容量电池的需求变得越来越迫切。在工程师能够解决那些成本、性能和容量等限制其进度的问题之前,他们必须清楚地知道电化学为电池带来了什么改变。
为了更好地理解哪些问题限制了锂电池的性能,劳伦斯国家实验室激光材料交互小组的高级研究员Richard E. Russo,使用了一种名为飞秒激光诱导击穿光谱(LIBS)的方法,对通过激光烧蚀(LA)生产的样品的电池组件进行分析。Russo的研究小组通过在一个7纳米深的表面测量不同元素和分子的光谱发射率,从而在实验用锂电池固体电解质膜(SEI) 层相间对其成分变化进行探索。他的小组还利用了飞秒激光诱导击穿光谱的高分辨率,降低的热影响和轻元素敏感性的优势,在锂电池的阳极、阴极、固态电解质和其他组件中建立3D多元化图形。这些图像的计算是根据计算机断层扫描(CT)的原理,扫描出为期两天的叠层图形,有代表性的二维图像和其各种感兴趣的元素的三维体积渲染。“飞秒激光与材料之间的相互作用为非线性现象和超快过程提供了独特的见解,该技术将持续超越自身的极限。”



来源:材料与测试
译者:兔子小光
译自asme

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