激光造就的超級防水金屬

右側：John Marciante研製了一個準確測量光纖的裝置，左起分別為研究生Swati Bhargava，Christopher Marsh "15和研究生Yao Haomin，大家一起在Goergen 大廳的實驗室參加會議。 圖片來源：羅切斯特大學照片/ J. Adam Fenster

在羅切斯特大學的實驗室里，研究人員正使用激光以不可思議的方式改變了金屬表面，使其在不使用特殊塗層（如油漆或溶劑）的情況下，就具有超強的防水性。

目前該技術的商業應用包括商用飛機和大型卡車的除冰，暴露金屬表面的防鏽和防腐蝕，以及用於手術和醫療設施表面的清潔抗菌。但為了確保該技術的商業可行性，激光器本身配置必須更加高。

現在風險投資支持的技術公司FemtoRoc Corp 正在與光學副教授John Marciante以及大學光學研究所共同開展一項聯合研究項目，來開發更強大的激光器。該項目預計耗時六年，研究預算約為1000萬美元。

Marciante說：「他們[FemtoRoc]需要的是一種高功率、超高速、飛秒級激光系統，平均功率以千瓦為單位，而不是現在市售的10瓦。所以，我們要放大10倍，這是一項非常雄心勃勃的任務。」

專有的超疏水技術使用激光來創建微米和納米級結構的複雜圖案，使處理後的金屬表面具備了一組新的物理特性。

2015年，光學教授Chunlei Guo和光學研究所高級科學家Anatoliy Vorobyev描述了他們用來永久改變金屬表面的極其強大但超短的激光脈衝。

郭教授和Vorobyev教授已經成功地使用該技術改造了一種金屬，其不僅具有極強防水性的金屬表面，而且還能夠吸水。郭教授的實驗室還發明了一種處理金屬表面以吸收幾乎所有波長的環境光的工藝，並且具有廣泛的商業應用，包括薄型超高效太陽能電池。

然而，在實驗室需要大約一個小時的時間才能使用商用的低功率激光器對1×1英寸的金屬樣品進行圖案化。因此需要更強大、超快速的飛秒激光脈衝來加速該過程，才能保證該技術的可行性。

為了開發性能更高的激光器，專門研發先進的高功率光纖激光器的Marciante實驗室將要完成兩大挑戰。

一個挑戰是激光束通常被限制在常規設計的光纖中，其芯徑通常非常小。在放大激光功率時，太多的光線集中在光纖芯中，非線性特性增加，導致激光束變寬或被調製。

Marciante解釋說：「當你試圖將光束壓縮成短脈衝時，會有很多能量與之衝突，會將可用功率分散開來，或者不集中在你想要的地方。」

第二個挑戰是過熱問題。Marciante說：「你將激光束的一端抽到一個能級，然後在另一端以較低的能量提取激光束，並且沒有任何工藝具有100％的熱效率，因此額外的能量會在光纖中結束。纖維會變得非常熱，甚至會融化」。

Marciante除了做自己團隊的研究之外，還利用美國和海外資深研究人員的網路，引入了具有成熟光纖設計和製造能力的第三方供應商。

Marciante的研究已經產生了以下成果：專有的更大芯徑光纖，具有卓越的激光束質量，並可與高功率超快飛秒光纖激光器兼容，這就大大降低專有光纖核心中非線性效應。Marciante表示，原則上，如果你將纖維長度減半，你可以增加兩倍的能量，但代價是，你也要轉移到一半的熱量。」

Marciante補充道，這是一個非常激動人心的挑戰，世界上沒有人能夠對金屬表面進行這種特殊類型的飛秒激光處理，使用這項技術推出商業產品將成為真正的遊戲改變者，這是創造新科學的一個千載難逢的機會。

文章來自phys.org，原文題目為A laser focus on super water-repellent metals，有材料科技在線團隊編譯整理。

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