В материаловедении прямое лазерное интерференционное формирование паттернов (DLIP) — это лазерная технология, которая использует физический принцип интерференции когерентных лазерных лучей высокой интенсивности для создания функциональных периодических микроструктур. Для получения интерференции луч разделяется светоделителем, специальными призмами или другими элементами. Затем лучи складываются вместе, образуя интерференционную картину. Таким образом, достаточно высокая мощность лазерного луча может привести к удалению материала на максимумах интерференции благодаря явлению абляции, оставляя материал нетронутым на минимумах. Таким образом, повторяющийся рисунок может быть навсегда зафиксирован на поверхности данного материала. DLIP может применяться практически к любому материалу и может изменять свойства поверхностей во многих технологических областях в отношении электрических и оптических свойств, трибологии (трение и износ), поглощения света и смачиваемости (например, что может быть связано с гигиеническими свойствами).
История
В 1990-х годах Франк Мюклих узнал от Мартина Штутцмана в Мюнхенском техническом университете о методе локальной кристаллизации аморфных слоев. Метод, который он использовал, был основан на принципе интерференции с использованием лазерного излучения. Мюклих, который уже приобрел интенсивный теоретический и экспериментальный опыт в области явлений интерференции во время своей докторской диссертации, решил использовать его, применяя высокую интенсивность лазера для разработки локальных и периодических изменений микроструктуры из-за металлургических эффектов. С помощью финансирования, которое он получил от спонсора Альфреда Круппа в 1997 году, он смог реализовать эту концепцию в лабораториях своей кафедры функциональных материалов в Саарландском университете, приобретя наносекундный лазер и необходимое оптическое оборудование.
Однако в экспериментах было заметно, что в дополнение к наблюдаемым локальным металлургическим эффектам, т. е. микроструктурным изменениям в материале (таким как распределение размера зерна, ориентация), можно было контролировать и микрорельеф поверхности. Кроме того, геометрия периодического рисунка зависела от количества интерферирующих лазерных лучей, их угла по отношению к поверхности материала и поляризации луча. Так началась история прямого лазерного интерференционного паттернирования.
Вдохновленная бионическими исследованиями Нахтигаля, изначально возникла совместная идея воспроизведения поверхностных структур, типичных для живых природных систем и эволюционно оптимизированных для соответствующих «функциональностей» растений и животных в рамках междисциплинарной исследовательской темы «Биологически составленные материалы». Работа с его тогдашним аспирантом Андресом Лазаньи была особенно вдохновляющей и быстро достигла успеха вместе: в 2006 году Лазаньи получил докторскую степень как лучший аспирант года за структурирование методом лазерной интерференционной металлургии в микро/нанодиапазоне («Advanced design of periodical structures by laser interference metallurgy in the micro/nano scale on macroscopic areas»). За их успешные публикации жюри Международного журнала исследований материалов (IJMR) наградило Франка Мюклиха, Андреса Лазаньи и Клауса Даниэля премией Вернера Кёстера DGM.
В 2008 году, после постдокторской стажировки в качестве стипендиата Гумбольдта в США, 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 оптических приборов, 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 посредством DLIP и в 2009 году открыли Центр материаловедения Саарланда, где прямое отраслевое сотрудничество способствовало передаче технологий.
В 2013 году Андрес Лазаньи получил премию имени Мазинга от DGM за свои выдающиеся достижения.
Позднее в 2016 году команды Мюклиха и Лазани были награждены премией Бертольда Ляйбингера за инновации за разработку метода прямой лазерной интерференции (DLIP) за их совместную инновационную платформу лазерных технологий и уникальное успешное сотрудничество.
Вместе с Домиником Бритцем и Ральфом Застрау Мюклих и Лазани основали компанию SurFunction GmbH, чтобы впервые вывести технологию на рынок.
Преимущества метода
DLIP обладает рядом выдающихся характеристик по сравнению с другими методами, в том числе:
Типы интерферометров
Существует множество способов разделения лазерного луча, которые определяют принципы работы различных интерферометров, таких как:
Процесс
Образно говоря, электромагнитные волны лазерного луча могут накладываться друг на друга подобно волнам на воде, образуя картины интенсивности. Этот принцип называется интерференцией. Если гребень волны первой распространяющейся волны встречается с гребнем волны перекрывающейся второй волны, это приводит к образованию большей волны, называемой конструктивной интерференцией. Если впадина волны встречается с гребнем волны, это приводит к затуханию волны, называемой деструктивной интерференцией.
Таким образом, перекрывающиеся когерентные лазерные лучи используются для создания интенсивных рисунков, которые проецируются на поверхность компонента. Материал плавится или испаряется в областях конструктивной интерференции в зависимости от длины импульса, в то время как он остается практически нетронутым в областях деструктивной интерференции. Количество и расположение лучей по отношению друг к другу определяет тип применяемого рисунка. Это может быть, например, линейный рисунок, крестообразный рисунок, точечный рисунок или почти любая периодическая текстура поверхности.
Более сложные поверхностные узоры могут быть созданы с увеличением числа лучей. Угол между перекрывающимися лазерными лучами и длина волны используемого лазера определяют размер структуры (период) применяемого периодического распределения интенсивности.
В отличие от других методов лазерной обработки, таких как прямая лазерная запись, диаметр лазерного луча не должен быть сфокусирован. Это означает, что за один лазерный импульс можно обработать значительно большую площадь. В то же время микроскопические малые структуры, которые даже меньше дифракционного предела (определяющего наименьший возможный диаметр луча в фокусе), могут быть созданы быстро и бесконтактно.
Таким образом, DLIP в сочетании с высокочастотным лазером позволяет достичь производительности в диапазоне >1 м2/мин с максимальной точностью.
Процесс DLIP имеет очень большую глубину фокусировки по сравнению с лазерной печатью, поскольку DLIP не полагается на точную фокусировку лазерного луча, а создает «интерференционный объем», внутри которого поверхность одинаково структурирована с соответствующей интерференционной картиной.
DLIP предлагает фактически бесконечное множество 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.
Известные исследовательские проекты
По исследованиям с использованием технологии DLIP опубликовано более 500 работ (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 больше в космосе, чем на Земле, поскольку, с одной стороны, жизнь экипажа и успех миссии зависят от номинальной работы механических систем, которая может быть прервана материальным ущербом, связанным с ростом биопленки, и, с другой стороны, изолированная, замкнутая среда космического полета может увеличить скорость передачи заболеваний. В случае Международной космической станции (МКС) биопленки являются проблемой Системы контроля окружающей среды и жизнеобеспечения (ECLSS), в частности, блока обработки воды (WPA). Цель состоит в том, чтобы понять поведение микроорганизмов и образование биопленок, поскольку они оказывают влияние на здоровье (астронавтов), а также тот факт, что биопленки приводят к материальному ущербу, который следует минимизировать по причинам устойчивости и для повышения долговечности продуктов и материалов в промышленности и во многих секторах также на Земле.
Особое внимание СМИ привлекли следующие космические проекты, реализуемые в сотрудничестве с НАСА и ЕКА:
Другие известные проекты:
Фотоэлектрический проект Fraunhofer IWS и IAPP: Для повышения эффективности тонкопленочных фотоэлектрических систем гибкие полимерные материалы были текстурированы DLIP в 2011 году, достигнув улучшенных электрических характеристик на 21% по сравнению с необработанной фольгой. Это улучшение стало возможным благодаря полученной периодической структуре, которая увеличивает оптический путь в активный материал ячеек. Таким образом, было установлено, что DLIP имеет большой потенциал для разработки высокоэффективных солнечных ячеек для органических, а также других тонкопленочных солнечных технологий.