Прямое лазерное интерференционное моделирование
![]() | Судя по всему, основной автор этой статьи тесно связан с ее предметом. ( февраль 2021 г. ) |
В материаловедении — это лазерная технология , прямое лазерное интерференционное моделирование (DLIP) использующая физический принцип интерференции высокоинтенсивных когерентных лазерных лучей для создания функциональных периодических микроструктур. [ 1 ] [ 2 ] Для получения интерференции луч разделяется светоделителем , специальными призмами, [ 3 ] или другие элементы. Затем лучи складываются вместе, образуя интерференционную картину . Таким образом, достаточно высокая мощность лазерного луча может привести к удалению материала в максимумах интерференции благодаря явлению абляции , оставляя материал неповрежденным в минимумах. Таким образом, на поверхности данного материала можно навсегда закрепить повторяемый рисунок. DLIP можно применять практически к любому материалу и изменять свойства поверхностей во многих технологических областях в отношении электрических и оптических свойств. [ 4 ] [ 5 ] трибология [ 6 ] [ 7 ] (трение и износ), светопоглощение и смачиваемость [ 8 ] (например, что может быть связано с гигиеническими свойствами).
История
[ редактировать ]В 1990-х годах Франк Мюклих узнал от него в Техническом университете Мюнхена о методе Мартина Штуцмана для локальной кристаллизации аморфных слоев. [ 9 ] Используемый им метод был основан на принципе интерференции с использованием лазерного излучения. Мюклих, который уже получил интенсивный теоретический и экспериментальный опыт в области интерференционных явлений во время своей докторской диссертации, решил использовать его, применив лазер высокой интенсивности для развития локальных и периодических изменений микроструктуры из-за металлургических эффектов. Благодаря финансированию, которое он получил от спонсорской помощи Альфреда Круппа в 1997 году, он смог реализовать эту концепцию в лабораториях своей кафедры функциональных материалов в Саарском университете, приобретя наносекундный лазер и необходимое оптическое оборудование.
Однако в экспериментах было заметно то, что помимо наблюдаемых локальных металлургических эффектов, т.е. микроструктурных изменений в материале (таких как распределение зерен по размерам, ориентация), также можно было контролировать микротопографию поверхности. Кроме того, геометрия периодической структуры зависела от количества интерферирующих лазерных лучей, их угла по отношению к поверхности материи и поляризации лучей. Так началась история создания прямого лазерного интерференционного рисунка. [ 10 ]
Вдохновленная бионическими исследованиями Нахтигаля, изначально возникла совместная идея воспроизведения поверхностных структур, типичных для живых природных систем и эволюционно оптимизированных для соответствующих «функций» у растений и животных в рамках междисциплинарной исследовательской темы «Биологически составленные материалы». . Работа со своим тогдашним докторантом Андресом Лазаньи была особенно вдохновляющей и вместе достигла быстрых успехов: в 2006 году Лазаньи получил докторскую степень как лучший докторант года за структурирование с помощью лазерно-интерференционной металлургии в микро/нанодиапазоне ( «Расширенное проектирование периодических структур методом лазерной интерференционной металлургии в микро/наномасштабе на макроскопических участках» [ 11 ] ). За успешные публикации жюри Международного журнала исследований материалов (IJMR) наградило Франка Мюклиха, Андреса Лазаньи и Клауса Даниэля премией Вернера Кестера от DGM.
В 2008 году, после постдокторской работы в США в качестве научного сотрудника Гумбольдта, Лазаньи вернулся в Германию с грантом Fraunhofer Attract и основал исследовательскую группу по «функционализации поверхности» в Fraunhofer IWS в Дрездене. Там он разработал множество компактных оптик. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] которые имеют решающее значение для надежного применения сегодняшней технологии DLIP, в то время как Мюклих и его команда в Саарбрюккене продолжали открывать новые области применения материаловедения для функционализации поверхности с помощью DLIP и в 2009 году открыли Центр инженерии материалов в Сааре, где прямое сотрудничество с промышленностью способствовало развитию этой технологии. передача.
В 2013 году Андрес Лазаньи получил Мемориальную премию Масинга от DGM за свои выдающиеся достижения.
Позже в 2016 году команды Мюклиха и Лазаньи были награждены премией Бертольда Лейбингера за инновации за разработку метода прямого лазерного интерференционного рисунка (DLIP) за их совместную инновационную платформу лазерных технологий и уникально успешное сотрудничество.
Вместе с Домиником Бритцем и Ральфом Застрау Мюклих и Лазаньи основали компанию SurFunction GmbH, чтобы впервые коммерциализировать эту технологию на рынке.
Преимущества метода
[ редактировать ]DLIP предлагает некоторые выдающиеся характеристики по сравнению с другими методами, в том числе:
- непосредственно на материале можно Создавать микроструктуры в гораздо большем масштабе и быстрее, чем в случае прямой лазерной записи (DLW). Структура, созданная в результате интерференционной картины, может иметь размеры порядка нескольких сантиметров (в зависимости от используемого лазерного источника), что позволяет изготавливать большие поверхностные структуры за один этап.
- Кроме того, размеры микроструктуры могут составлять порядка нескольких десятков нанометров, что недостижимо при прямой лазерной записи. Например, в DLC-покрытиях с использованием УФ-лазерного излучения были достигнуты пространственные периоды всего 180 нм. [ 16 ]
Типы интерферометров
[ редактировать ]Существует множество способов разделения лазерного луча, что определяет принципы работы различных интерферометров, например:
- призма [ 3 ]
- делители лазерного луча [ 2 ]
- дифракционные решетки [ 17 ]
- ДОЭ ( дифракционные оптические элементы ) [ 18 ]
- Ллойд (на основе перпендикулярно расположенных и соединенных зеркал) [ 19 ]
Процесс
[ редактировать ]Образно говоря, электромагнитные волны лазерного луча могут перекрываться, подобно волнам на воде, образуя узоры интенсивности. Этот принцип называется интерференцией. Если гребень первой распространяющейся волны встречается с гребнем перекрывающейся второй волны, это приводит к образованию более крупной волны, называемой конструктивной интерференцией. Если впадина волны встречается с гребнем волны, это приводит к затуханию волны, называемому деструктивной интерференцией.
Таким образом, перекрывающиеся когерентные лазерные лучи используются для создания диаграмм интенсивности, которые проецируются на поверхность компонента. Материал плавится или испаряется в зонах конструктивной интерференции в зависимости от длины импульса, а в зонах деструктивной интерференции остается практически нетронутым. Количество и расположение лучей по отношению друг к другу определяет тип нанесенного рисунка. Это может быть, например, линейный узор, крестообразный узор, точечный узор или практически любая периодическая текстура поверхности.
Более сложные узоры поверхности могут быть созданы с увеличением количества балок. Угол между перекрывающимися лазерными лучами и длина волны используемого лазера определяют размер структуры (период) приложенного периодического распределения интенсивности.
В отличие от других методов лазерной обработки, таких как прямая лазерная запись , диаметр лазерного луча не нужно фокусировать. Это означает, что за один лазерный импульс можно обработать значительно большую площадь. В то же время микроскопические небольшие структуры, размер которых даже меньше дифракционного предела (определяющего минимально возможный диаметр луча в фокальном положении), можно создавать быстро и бесконтактно.
Таким образом, DLIP в сочетании с высокочастотным лазером позволяет достичь пропускной способности в диапазоне >1 м. 2 /мин с максимальной точностью. [ 20 ]
Процесс DLIP имеет очень большую глубину фокуса по сравнению с лазерной записью, поскольку DLIP не опирается на точную фокусировку лазерного луча, а создает «интерференционный объем», внутри которого поверхность одинаково структурирована с соответствующей интерференционной картиной.
DLIP предлагает практически бесконечное разнообразие возможностей структурирования за счет использования нано-, пико- или фемтосекундных лазеров, а также за счет изменения количества используемых интерферирующих лазерных лучей, их геометрической конфигурации, а также длины волны используемого излучения.
Выдающиеся исследовательские проекты
[ редактировать ]По исследованиям с использованием технологии DLIP опубликовано более 500 публикаций (по состоянию на 2022 год).
Проекты, связанные с исследованиями в космосе, являются важной темой для изучения потенциала гигиенических свойств текстурирования поверхности с помощью DLIP. Влияние биопленок в космосе сильнее, чем на Земле, поскольку, с одной стороны, жизнь экипажа и успех миссии зависят от номинальной работы механических систем, которая может быть нарушена из-за материального ущерба, связанного с ростом биопленки, а с другой стороны , изолированная, ограниченная среда космического полета может увеличить скорость передачи заболеваний. В случае с Международной космической станцией (МКС) биопленки являются проблемой системы экологического контроля и жизнеобеспечения (ECLSS), в частности установки обработки воды (WPA). Цель состоит в том, чтобы понять поведение микроорганизмов и образование биопленок, поскольку они оказывают влияние на здоровье (космонавтов), а также тот факт, что биопленки приводят к материальному ущербу, который следует свести к минимуму из соображений устойчивости и повысить долговечность продуктов и материалов в промышленности и во многих отраслях на Земле.
Особое внимание средств массовой информации получили следующие космические проекты в сотрудничестве с НАСА и ЕКА:
- Касающиеся поверхности (Испытание антимикробных поверхностей для космических полетов и наземных применений). В этом эксперименте новые поверхности с активными антимикробными свойствами и без них проверяются на их антимикробную эффективность в космических условиях в сочетании со структурированием поверхности для контроля контакта с бактериями с помощью DLIP. К контактным поверхностям прикасались космонавты на борту МКС. Находящиеся на них микробы затем будут исследовать на Земле на предмет образования биопленок. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]
- Биопленки (тестирование антимикробных поверхностей с лазерной структурой в космических условиях): проект BIOFILMS исследует образование биопленок на различных антимикробных поверхностях в космических условиях. Эти поверхности состоят из различных металлов с активными бактерицидными свойствами и без них, которые были дополнительно структурированы сверхкороткими импульсами DLIP в масштабе одиночных бактериальных клеток. Таким образом, бактериальным штаммам, использованным в эксперименте, предлагаются улучшенные или ухудшенные условия контакта. Таким образом, влияние этих свойств поверхности на образование бактериальной биопленки исследуется в контексте переменной гравитации путем вращения центрифуги МКС на Луне, Марсе и Земле». [ 24 ] [ 25 ]
- Космические биопленки: в конце 2019 года на МКС был запущен эксперимент «Космические биопленки» для изучения особенностей биопленок, образующихся в космосе, по сравнению с их соответствующими аналогами на Земле. Помимо экспрессии генов устойчивости к противомикробным препаратам, здесь были протестированы новые материалы, в том числе основанные на технологии DLIP, в качестве потенциальных стратегий сдерживания биопленки для будущих критически важных компонентов ECLSS. [ 26 ] [ 27 ]
- ConTACTS Concordia: Эксперимент Concordia ConTACTS предназначен для анализа антимикробных поверхностей в качестве стратегии снижения микробной нагрузки на контактные поверхности и активного отслеживания распространения микробов. Станция Конкордия в Антарктиде служит здесь модельной средой в течение нескольких месяцев спячки арктической зимы для изучения особых условий в пространственно закрытых искусственных средах обитания. В рамках проекта ConTACTS Concordia носители образцов с антимикробными функциональными поверхностями будут размещены в различных зонах станции Конкордия в течение зимовочного периода продолжительностью в несколько месяцев. Ожидается, что эти места будут различаться по условиям окружающей среды, таким как температура и влажность, а также по частоте присутствия людей. Сенсорные матрицы включают антимикробные металлические поверхности на основе меди с дополнительным топографическим текстурированием поверхности с помощью DLIP или без него. Поверхности будут подвергаться как прямому ежедневному контакту, так и воздействию чистого воздушного потока в различных частях станции с изменяющимися атмосферными условиями. Ожидается, что свойства, созданные с помощью DLIP, останутся нетронутыми, несмотря на экстремальные условия окружающей среды. Проект поможет понять распространение микробов в закрытых средах обитания, в том числе через поверхности, к которым часто прикасаются, и протестировать оптимизированные стратегии сдерживания. (Начало 2023 г.)
Другие известные проекты:
Фотоэлектрический проект Fraunhofer IWS и IAPP: Чтобы повысить эффективность тонкопленочных фотоэлектрических систем, гибкие полимерные материалы были текстурированы с помощью DLIP в 2011 году, что позволило достичь улучшенных электрических характеристик на 21% по сравнению с необработанной фольгой. Такое улучшение стало возможным благодаря полученной периодической структуре, которая увеличивает оптический путь к активному материалу клеток. Таким образом, было установлено, что DLIP имеет большой потенциал для разработки высокоэффективных солнечных элементов для органических, а также других тонкопленочных солнечных технологий. [ 28 ]
Призы, связанные с DLIP
[ редактировать ]- Премия Мемориала Масинга 2020 Андреасу Розенкранцу
- Трансфертная премия Фонда Штайнбайса | Премия Лена (2019) Мюклиху и Центру инженерии материалов Саара (MECS) совместно с TE Connectivity [ 29 ] [ 30 ]
- Премия FEMS в области материаловедения и технологий (2017 г.) Андресу Лазаньи [ 31 ]
- Премия Бертольда Лейбингера за инновации (2016 г.) проектным группам Мюклиха и Лазаньи по созданию прямых лазерных интерференционных рисунков за лучшие лазерные инновации. [ 32 ]
- Премия Мемориала Масинга 2012 года Андресу Лазаньи [ 33 ]
- Премия «Чемпионов Германии в области высоких технологий» (2011 г.) Андресу Лазаньи за исследования по повышению эффективности фотоэлектрических систем. [ 34 ]
- Премия Вернера Кёстера (2006 г.) Франку Мюклиху, Андресу Лазаньи и Клаусу Даниэлю за лучшую публикацию года в Международном журнале исследований материалов.
- Фраунгофер получил награду Андреса Лазаньи за «микро/нано» изготовление поверхностных архитектур с использованием прямого лазерного интерференционного рисунка
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ю, Фаю; Ли, Пин; Шен, Хао; Матур, Санджай; Лер, Клаус-Майкл; Баковский, Удо; Мюклих, Франк (1 мая 2005 г.). «Лазерная интерференционная литография как новый и эффективный метод микроструктурирования поверхности биополимеров» . Биоматериалы . 26 (15): 2307–2312. doi : 10.1016/j.bimaterials.2004.07.021 . ПМИД 15585233 .
- ^ Jump up to: а б Чиж, Кшиштоф; Марчак, Джон; Майор, Роман; Мзык, Альдона; Рычик, Антони; Саржинский, Антони; Стшелец, Марек (август 2016 г.). «Избранные лазерные методы структурирования поверхности биосовместимых слоев алмазоподобного углерода» . Алмаз и родственные материалы . 67 :26–40. Бибкод : 2016DRM....67...26C . дои : 10.1016/j.diamond.2016.01.013 .
- ^ Jump up to: а б Чиж, Кшиштоф (5 августа 2016 г.). «Влияние топографии поверхности, разработанной с помощью лазерной интерференционной модификации призменной оптики, на дифференцировку клеток» . Inżynieria Materiałowa . 1 (4): 10–16. дои : 10.15199/28.2016.4.2 .
- ^ Тевтобург-Вайс, Саша; Сварщик, Марк; Бушар, Феликс; Кресс, Джошуа; Вайнзоф, Черный; Лазаньи, Эндрю Фабиан (01 июля 2022 г.). «Структурные краски со встроенными функциями защиты от подделок, изготовленные лазерными методами» . Оптика и лазерные технологии . 151 : 2404.11254 : 108012.arXiv . Бибкод : 2022OptLT.15108012T doi : 10.1016/j.optlastec.2022.108012 . ISSN 0030-3992 . S2CID 247214664 .
- ^ «Сравнение структурных цветов, полученных с помощью периодических поверхностных структур, индуцированных лазером, и создания рисунков прямой лазерной интерференции» (PDF) . JLMN-Журнал лазерной микро/наноинженерии . 15 (2). 2020.
- ^ Грюцмахер, Филипп (2019). Управление трением путем многомасштабного формирования рисунка поверхности внутри и снаружи зоны контакта (докторская диссертация). Саарский университет, Саарский университет. Саарский университет и государственная библиотека. дои : 10.22028/D291-29724 .
- ^ Гашо, Карстен (2012). Лазерная интерференционная металлургия металлических поверхностей трибологического назначения (докторская диссертация). Саарландский университет, Саарландский университет. дои : 10.22028/D291-22840 .
- ^ Райлард, Брайс (2013). Проектирование поверхности стали и смачивающих свойств методом лазерного нанесения рисунка (докторская диссертация). Саарландский университет, Саарландский университет. дои : 10.22028/D291-22989 .
- ^ «Лазерная интерференционная кристаллизация аморфного кремния: применение и свойства» . Проверено 18 сентября 2022 г.
- ^ Андрес Ф. Лазаньи, Карстен Гашо, Ким Э. Трин, Михаэль Ханс, Андреас Розенкранц (17 февраля 2017 г.), Клоцбах, Удо; Васио, Кунихико; Клинг, Райнер (ред.), «Прямое лазерное интерференционное моделирование, 20 лет разработок: от основ к промышленному применению» , SPIE Proceedings , Laser-based Micro- and Nanoprocessing XI (на немецком языке), vol. 10092, SPIE, стр. 186–196, Bibcode : 2017SPIE10092E..11L , doi : 10.1117/12.2252595 , S2CID 125692446
{{citation}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Андрес Фабиан Лазаньи (2006), Расширенный дизайн периодических структур с помощью лазерной интерференционной металлургии в микро/нано масштабе на макроскопических областях (докторская диссертация) (на немецком языке), doi : 10.22028/D291-22362 , получено 19 сентября 2022 г.
- ^ США 9764424 , Роч, Теджа; Бенке, Дмитрий и Лазаньи, Андрес Фабиан, «Метод и устройство для формирования структурирования на поверхностях компонентов с помощью лазерного луча», опубликовано 27 января 2016 г., передано Обществу Фраунгофера по содействию прикладным исследованиям EV.
- ^ США 9233435 , Лазаньи, Андрес Фабиан, «Устройство и метод для построения интерференционной картины плоских образцов», опубликовано 12 января 2016 г., передано Обществу Фраунгофера по содействию прикладным исследованиям EV.
- ^ США 9370843 , Лазаньи, Андрес Фабиан; Бевер, Экхард и Рох, Тея, «Устройство, устройство и метод интерференционного структурирования плоских образцов», опубликовано 21 июня 2016 г., передано Обществу Фраунгофера по содействию прикладным исследованиям EV.
- ^ DE 102018216221 , Лазаньи, Андрес-Фабиан и Войзиа, Богдан, «Способ создания структурированной поверхности на объекте», опубликовано 26 марта 2020 г., передано Fraunhofer-Gesellschaft zur Demand of Applied Research EV.
- ^ Лазаньи, Андрес Ф.; Рох, Теджа; Лангейнрих, Дениз; Биеда, Матиас; Ветциг, Андреас (01 января 2011 г.). «Прямое изготовление периодических массивов на большой площади с использованием интерференционной картины» . Процессия по физике . Лазеры в производстве 2011 - Материалы Шестой Международной конференции WLT по лазерам в производстве. 12 : 214–220. Бибкод : 2011PhPro..12..214L . дои : 10.1016/j.phpro.2011.03.125 . ISSN 1875-3892 .
- ^ Дивлянский Иван Борисович; Шишидо, Ацуши; Ху, Ям-Чун; Майер, Тереза С .; Пенья, Дэвид; Нисимура, Сузуши; Китинг, Кристин Д.; Маллук, Томас Э. (19 ноября 2001 г.). «Изготовление двумерных фотонных кристаллов методами интерференционной литографии и электроосаждения CdSe» . Письма по прикладной физике . 79 (21): 3392–3394. Бибкод : 2001ApPhL..79.3392D . дои : 10.1063/1.1420584 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Хаушвиц, Питер; Йохцова, Доминика; Джагдиш, Радхакришнан; Цимрман, Мартин; Брайер, Ян; Ростохар, Даниела; Мочек, Томас; Копечек, Яромир; Лучанетти, Антонио; Смрж, Мартин (январь 2020 г.). «Крупнолучевое пикосекундное интерференционное моделирование металлических подложек» . Материалы . 13 (20): 4676. Бибкод : 2020Mate...13.4676H . дои : 10.3390/ma13204676 . ПМЦ 7590036 . ПМИД 33092278 .
- ^ Бур, Йоханнес де; Гейер, Надин; Гёзеле, Ульрих; Шмидт, Волкер (15 июня 2009 г.). «Трехлучевая интерференционная литография: модернизация интерферометра Ллойда для создания гексагонального рисунка за одну экспозицию» . Оптические письма . 34 (12): 1783–1785. Бибкод : 2009OptL...34.1783D . дои : 10.1364/OL.34.001783 . ISSN 1539-4794 . ПМИД 19529702 .
- ^ Ланг, Валентин; Рох, Теджа; Лазаньи, Андрес Фабиан (2016). «Высокоскоростное структурирование поверхности поликарбоната с использованием прямого лазерного интерференционного рисунка: к барьеру скорости изготовления 1 м2/мин» . Передовые инженерные материалы . 18 (8) (опубликовано в августе 2016 г.): 1342–1348. дои : 10.1002/адем.201600173 . S2CID 138911393 .
- ^ «DLR — точка контакта эксперимента» . RESPONSIVE_IMAGE Портал DLR (на немецком языке) . Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ «Касание поверхностей» . DLR Event (на немецком языке). 19 мая 2022 г. Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ «ДЛР — Институт аэрокосмической медицины — Эксперименты «Космический поцелуй» Института аэрокосмической медицины на МКС» . www.dlr.de. Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ Сиемс, Катарина; Мюллер, Дэниел В.; Мартенс, Лоуренс; Ахмед, Аиша; Ван Худт, Роб; Манчинелли, Рокко Л.; Баур, Сандра; Брикс, Кристина; Каутенбургер, Ральф; Кэплин, Никол; Краузе, Ютта; Деметс, Рене; Вукич, Марко; Тортора, Алессандра; Роеш, Кристиан (2022). «Испытание антимикробных поверхностей, структурированных лазером, в космических условиях: проект эксперимента МКС «БИОФИЛЬМЫ»» . Границы космических технологий . 2 : 773244. Бибкод : 2022FrST....2.3244S . дои : 10.3389/frspt.2021.773244 . ISSN 2673-5075 .
- ^ "ДЛР - Институт аэрокосмической медицины - В :envihab проходит подготовка к космическому эксперименту БИОФИЛЬМЫ" . www.dlr.de. Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ «Характеристика образования, роста и экспрессии биопленок на различных материалах и условиях окружающей среды в условиях микрогравитации (космические биопленки) | Управление научной миссии» . science.nasa.gov . Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ «Детали эксперимента» . www.nasa.gov . Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ «Пресс-релиз XI/2011 — Fraunhofer IWS» . Институт Фраунгофера по технологии материалов и балок IWS . Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ «Переводная премия Фонда Штайнбайса | Премия Лена 2019» . www.steinbeis.de . Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ Прямое лазерное интерференционное моделирование (DLIP) | электрические разъемы | Цена заработной платы на 2019 г. , 16 июля 2020 г. , получено 15 ноября 2022 г.
- ^ «Лазаньи награждена премией в области материаловедения и технологий 2017» . Институт Фраунгофера материалов и лучевой технологии IWS .
- ^ Проектная группа по созданию прямой лазерной интерференционной картины — вторая премия 2016 г. — английский язык , 12 сентября 2016 г. , получено 15 ноября 2022 г.
- ^ «Пресс-релиз XI/2013 — Fraunhofer IWS» . Институт Фраунгофера по технологии материалов и балок IWS . Проверено 15 ноября 2022 г.
- ^ «Пресс-релиз XI/2011 — Fraunhofer IWS» . Институт Фраунгофера по технологии материалов и балок IWS . Проверено 15 ноября 2022 г.
Для этой статьи необходимы дополнительные или более конкретные категории . ( июнь 2021 г. ) |