Saat ini, laser ultracepat (misalnya laser picosecond dan femtosecond) telah banyak digunakan dalam bidang ilmu dan teknik material. Dan kemajuan yang dicapai dalam sistem amplifikasi telah mendorong perkembangan bidang laser ultracepat, membawa manfaat besar bagi berbagai industri (khususnya ilmu material).
Untungnya, para ilmuwan dapat memanfaatkan sepenuhnya laser ultracepat untuk mengubah sifat berbagai bahan. Dengan resolusi ultra-tinggi dan keunggulan pulsa pendek, laser ultracepat telah menjadi pilihan terbaik untuk meningkatkan aplikasi spesifik secara tepat.
Baru-baru ini, terdapat minat yang kuat dalam bidang pemanfaatan laser ultracepat untuk menghasilkan parameter skala nano baik di sektor penelitian maupun ilmu material komersial. Fokus industri global pada miniaturisasi dan munculnya teknik dan alat manufaktur baru, seperti laser ultracepat, telah menghasilkan produk yang lebih kecil dan kompak.
Sebuah artikel baru-baru ini di jurnal Nanophotonics mencatat bahwa metode paling canggih yang digunakan dalam industri untuk membentuk berbagai macam material, terutama padatan, adalah dengan mengarahkan laser ultracepat berenergi tinggi ke permukaannya dengan intensitas yang cukup untuk menstimulasi dan menghilangkan material tersebut.
Selain proses ablasi langsung, fenomena penataan lain yang menggunakan laser ultracepat terjadi ketika permukaan tereksitasi - hal ini memerlukan transformasi morfologi permukaan menjadi pola teratur dengan periodisitas sub-panjang gelombang, yang disebut struktur permukaan periodik yang diinduksi laser ultracepat.
Konsep awal, yang sangat penting untuk struktur nano massal, melibatkan apa yang disebut “ledakan mikro”. Konsep ini melibatkan stimulasi plasma padat dengan laser ultracepat, yang mengarah pada pengembangan tekanan elektron yang besar, gelombang kejut, dan elemen langka pada tingkat multi-milibar. Struktur skala nano diwujudkan dengan pemfokusan laser ultracepat yang tepat.
Bidang penerapan preparasi struktur nano laser ultracepat sangat luas dan beragam. Mereka memiliki kemampuan kinerja tinggi di bidang optik, mekanika, dan biologi, terutama ketika strukturnya berada dalam rentang panjang gelombang optik - yang dapat dikaitkan dengan sifat-sifat yang berkaitan dengan morfologi permukaan, fitur permukaan tertentu, atau ukuran fitur.
Laser ultracepat: satu-satunya cara efektif untuk mengelas keramik
Manufaktur modern sangat bergantung pada pengelasan, namun pengelasan keramik yang andal dengan metode konvensional masih menjadi tujuan yang sulit dicapai. Ketahanan suhu tinggi yang sangat baik yang menjadikan keramik teknik sangat diperlukan untuk banyak aplikasi menantang juga menimbulkan tantangan signifikan saat menyambung keramik.
Namun, sebuah artikel baru-baru ini yang diterbitkan di jurnal Science, menyoroti manfaat pengelasan laser ultracepat pada keramik. Pengiriman energi tepat yang disediakan oleh laser ultracepat memainkan peran penting dalam manufaktur aditif dan berpotensi sangat efektif dalam menyambung keramik. Khususnya, terdapat contoh sukses dalam menggabungkan berbagai jenis kaca dengan laser ultracepat.
Beberapa kaca yang telah berhasil dilas dengan laser ultracepat (misalnya borosilikat) memiliki ketangguhan patah dan ketahanan guncangan termal yang lebih rendah dibandingkan dengan keramik rekayasa pada umumnya (misalnya zirkonia dan alumina yang distabilkan). Kemampuan untuk mencapai keberhasilan penggabungan laser ultracepat pada keramik bergantung pada kemampuan laser untuk fokus di dalam material, yang memicu proses penyerapan nonlinier dan multifoton yang mengarah pada penyerapan dan peleburan lokal.
Para ilmuwan telah mengembangkan metode baru untuk pengelasan laser berdenyut ultracepat. Teknik ini memfokuskan cahaya pada antarmuka di dalam keramik, menciptakan interaksi optik yang menstimulasi proses penyerapan nonlinier yang menyebabkan peleburan lokal, bukan ablasi pada permukaan keramik. Faktor kunci dalam penelitian ini adalah interaksi antara sifat optik linier dan nonlinier serta penggabungan efektif energi laser ke material.
Komponen keramik yang diproduksi menggunakan metode pengelasan laser ini tidak hanya mempertahankan kondisi vakum yang tinggi, namun juga menunjukkan kekuatan geser yang sebanding dengan ikatan difusi logam-keramik. Pengelasan laser kini memungkinkan integrasi keramik ke dalam perangkat untuk digunakan di lingkungan yang keras, serta ke dalam paket untuk optoelektronik dan elektronik yang memerlukan transparansi dalam spektrum radio yang terlihat.
Laser ultracepat memiliki keserbagunaan khusus dalam mengelas keramik transparan karena dapat difokuskan melalui material. Hal ini memungkinkan geometri yang lebih kompleks untuk digabungkan di beberapa wilayah interaksi, sehingga memperluas potensi volume pengelasan.
Laser ultracepat untuk pemrosesan material
Penggunaan laser ultracepat untuk pemrosesan bahan telah berkembang pesat selama dekade terakhir, seiring dengan semakin jelasnya penerapan ilmu pengetahuan, teknologi, dan industri.
Di bidang laser ultracepat untuk manufaktur, energi cahaya digunakan dalam bentuk pulsa dari laser ultracepat femtodetik atau pikodetik yang sangat terfokus dan diarahkan ke lokasi yang sangat spesifik di dalam material. Hal ini dicapai melalui eksitasi dua atau multi-foton, yang terjadi dalam skala waktu yang jauh lebih cepat dibandingkan pertukaran energi panas antara elektron tereksitasi cahaya dan ion kisi.
Para ilmuwan kini telah mencapai ketepatan tertinggi dalam mengelola fotoionisasi laser ultracepat dan proses termal, memungkinkan fotomodifikasi lokal pada wilayah yang lebih kecil dari 100 nanometer.
Laser ultracepat biasanya beroperasi dalam mode gelombang kontinu (CW) atau berdenyut pada panjang gelombang 10 μm atau 1 μm dan telah memberikan kontribusi signifikan dalam bidang otomotif, arsitektur, serta penandaan dan pelabelan, menurut sebuah artikel yang diterbitkan dalam jurnal Light: Science dan Aplikasi.
Misalnya, laser ultracepat seperti laser femtosecond (fs) memainkan peran penting dalam aplikasi yang memerlukan presisi tinggi, terutama pada permukaan dan struktur besar dari bahan transparan yang rapuh dan keras. Selain itu, laser ultracepat seperti struktur laser femtosecond terbukti sangat efektif ketika komposit dan material berlapis perlu disusun secara rumit dalam cara 3D yang kompleks.
Tantangan dalam Pemrosesan Laser Ultracepat
Memproses dan memfungsikan material dengan laser ultracepat adalah proses yang menarik; namun, seperti yang ditunjukkan dalam artikel terbaru di Advanced Optical Technologies, ada beberapa tantangan dalam proses yang harus diatasi.
Banyak laser ultracepat modern yang menyusut hingga kedalaman hanya beberapa ratus nanometer. Artinya, sejumlah besar pulsa laser ultracepat perlu diarahkan ke satu wilayah untuk mengikis material. Selain itu, dalam penelitian terbaru, laser ultracepat Gaussian telah terbukti memiliki efisiensi pemrosesan material hingga sekitar 12 persen - persentase efisiensi yang membuka banyak kemungkinan baru untuk aplikasi industri laser ultracepat Gaussian.
Pemrosesan optik, komponen penting dari laser ultracepat, dapat menyebabkan efek nonlinier yang mengubah karakteristik pulsa yang dipancarkan. Hal ini dapat mempengaruhi parameter seperti durasi pulsa dan spektrum laser ultracepat. Dalam kasus ekstrim, energi kuat di dalam optik dapat menyebabkan penghancuran material target oleh laser ultracepat.
Laser ultracepat memiliki beragam aplikasi dalam ilmu material. Dengan kombinasi kemajuan teknologi kecerdasan buatan dan analisis data besar, korelasi yang lebih andal antara proses, struktur, dan kinerja diharapkan akan terbentuk dalam aplikasi pemrosesan material laser ultracepat dalam ilmu material. Pendekatan ini diharapkan dapat menyederhanakan penggunaan laser ultracepat dalam pembuatan bahan tambahan, meningkatkan akurasi komputasi, dan menyediakan cara yang efektif untuk mencapai berbagai tujuan komersial.
