In een laboratorium aan de Universiteit van Rochester, onderzoekers gebruiken lasers om het oppervlak van metalen op ongelooflijke manieren te veranderen, zoals het super waterafstotend maken zonder het gebruik van speciale coatings, verven, of oplosmiddelen.

De commerciële toepassingen van de technologie variëren van het ijsvrij maken van commerciële vliegtuigen en grote vrachtwagens, om roest en corrosie te voorkomen van blootgestelde metalen oppervlakken, schoon te maken, antimicrobiële oppervlakken voor chirurgische en medische faciliteiten.

Maar om de technologie commercieel levensvatbaar te maken, de lasers moeten veel krachtiger worden.

Een door durfkapitaal gesteund technologiebedrijf, FemtoRoc Corp., doet een gezamenlijk onderzoeksproject met John Marciante, een universitair hoofddocent optica, en het Institute of Optics van de universiteit om die krachtigere lasers te ontwikkelen. Het project, duurt naar verwachting zes jaar, heeft een onderzoeksbudget geschat op $ 10 miljoen.

"Wat ze [FemtoRoc] nodig hebben, is een krachtige, ultrasnel, femtoseconde-klasse lasersysteem met gemiddeld vermogen gemeten in kilowatt, in plaats van de tienden van watt die nu in de handel verkrijgbaar zijn, "zegt Marciante. "Dus, we moeten met meer dan een factor 10 opschalen."

"Het is een zeer ambitieuze onderneming."

De eigen, superhydrofobe technologie maakt gebruik van lasers om een ​​ingewikkeld patroon van micro- en nanoschaalstructuren te creëren, waardoor de behandelde metalen oppervlakken een nieuwe reeks fysieke eigenschappen krijgen.

in 2015, Chunlei Guo, een professor in de optica, en Anatoliy Vorobyev, een senior wetenschapper aan het Institute of Optics, beschreef de extreem krachtige, maar ultrakorte laserpulsen die ze gebruikten om het oppervlak van metalen permanent te veranderen.

Guo en Vorobyev hebben deze techniek met succes gebruikt om niet alleen metalen oppervlakken te creëren die extreem waterafstotend zijn, maar ook die water aantrekken. Guo's laboratorium heeft ook een proces ontwikkeld om metalen oppervlakken te behandelen om vrijwel alle golflengten van omgevingslicht te absorberen en dat een breed scala aan commerciële toepassingen heeft, inclusief dunne, ultra-efficiënte zonnecellen.

Echter, het duurt ongeveer een uur voordat Guo's laboratorium een ​​metalen monster van 1 inch bij 1 inch heeft gevormd met behulp van in de handel verkrijgbare, laagvermogen lasers. Krachtiger, ultrasnelle femtoseconde laserpulsen zijn nodig om het proces te versnellen om de technologie commercieel levensvatbaar te maken.

Om de lasers te ontwikkelen, Marciantes laboratorium, die gespecialiseerd is in het ontwikkelen van geavanceerde, hoog vermogen, vezellasers, zal twee belangrijke uitdagingen moeten aanpakken.

Een daarvan is dat laserstralen meestal worden opgesloten in conventioneel ontworpen optische vezels, die de neiging hebben om een ​​​​zeer kleine kerndiameter te hebben. Bij het opschalen van het laservermogen, te veel licht wordt geconcentreerd in de kern van de vezel, en niet-lineaire eigenschappen nemen toe, waardoor de laserstraal breder wordt of gemoduleerd wordt.

"Als je de straal probeert te comprimeren tot een korte puls, er is veel energie die niet in die pols past, " legt Marciante uit. "De bruikbare kracht verspreidt zich, of stelt niet scherp waar u dat wilt."

De tweede uitdaging is oververhitting. "Je pompt de laserstraal op één energieniveau, aan een einde, en het vervolgens op een lager energieniveau te extraheren, aan het andere einde, en geen enkel proces is 100 procent thermisch efficiënt. Die extra energie komt dus in de vezel terecht. De vezel kan erg heet worden, zelfs tot het punt van smelten, ' zegt Marciante.

Naast het onderzoek van zijn eigen team, Marciante zal gebruikmaken van een netwerk van ervaren onderzoekers in de Verenigde Staten en in het buitenland en externe leveranciers inschakelen met bewezen vezelontwerp- en productiecapaciteiten.

Het onderzoek van Marciante heeft al de volgende resultaten opgeleverd:

• een gepatenteerde optische vezel met grotere kern met superieure laserstraalkwaliteiten die compatibel is met ultrasnelle femtoseconde-vezellasers met hoog vermogen
• een manier om de effecten van niet-lineariteiten in de kern van de gepatenteerde vezel aanzienlijk te verminderen. "In principe, als je de vezellengte halveert, je kunt naar twee keer zoveel energie gaan, " zegt Marciante. "De afweging is, je dumpt ook de warmte in de helft van de ruimte."

"Het is een heel spannende uitdaging, ' zegt Marciante.

"Niemand ter wereld is in staat geweest om dit specifieke soort femtoseconde laserbehandeling van metalen oppervlakken uit te voeren, " voegt hij eraan toe. "Het lanceren van commerciële producten met behulp van deze technologie zal een echte game changer zijn. Dit is een unieke kans om nieuwe wetenschap te creëren."