John Marciante, höger, undersöker en uppställning för exakt mätning av optiska fibrer och förenas av, från vänster, doktorand Swati Bhargava, Christopher Marsh '15, och doktorand Haomin Yao i sitt labb i Goergen Hall. Upphovsman:University of Rochester photo / J. Adam Fenster
I ett laboratorium vid University of Rochester, forskare använder lasrar för att ändra metallytan på otroliga sätt, som att göra dem supervattenavvisande utan användning av speciella beläggningar, målar, eller lösningsmedel.
Teknikens kommersiella tillämpningar sträcker sig från avisning av kommersiella flygplan och stora lastbilar, för att förhindra rost och korrosion av exponerade metallytor, att städa, antimikrobiella ytor för kirurgiska och medicinska anläggningar.
Men för att göra tekniken kommersiellt livskraftig, lasrarna måste bli mycket kraftfullare.
Ett teknikbolag med riskkapitalstöd, FemtoRoc Corp., genomför ett gemensamt forskningsprojekt med John Marciante, en docent i optik, och University's Institute of Optics för att utveckla dessa mer kraftfulla lasrar. Projektet, förväntas ta sex år, har en forskningsbudget uppskattad till 10 miljoner dollar.
"Vad de [FemtoRoc] behöver är en kraftfull, Ultra snabb, femtosekundlasersystem med medeleffekt mätt i kilowatt, snarare än de 10 -watt som nu är kommersiellt tillgängliga, " säger Marciante. "Så, vi måste skala upp med över en faktor 10. "
"Det är ett mycket ambitiöst företag."
Den proprietära, superhydrofob teknik använder lasrar för att skapa ett invecklat mönster av mikro- och nanoskala strukturer, ger de behandlade metallytorna en ny uppsättning fysikaliska egenskaper.
2015, Chunlei Guo, professor i optik, och Anatoliy Vorobyev, en senior forskare vid Institute of Optics, beskrev det extremt kraftfulla, men ultrakorta laserpulser använde de för att permanent förändra metallytan.
Guo och Vorobyev har framgångsrikt använt denna teknik för att skapa inte bara metallytor som är extremt vattenavvisande, men de som lockar vatten också. Guos laboratorium har också skapat en process för att behandla metallytor för att absorbera praktiskt taget alla våglängder av omgivande ljus och som har ett brett utbud av kommersiella tillämpningar, inklusive tunn, ultraeffektiva solceller.
Dock, det tar ungefär en timme för Guos laboratorium att mönstra ett 1-tums x 1-tums metallprov med kommersiellt tillgängliga, lågeffektslasrar. Kraftfullare, ultrasnabba femtosekundlaserpulser behövs för att påskynda processen för att göra tekniken kommersiellt gångbar.
För att utveckla lasrarna, Marciantes laboratorium, som specialiserat sig på att utveckla avancerade, hög kraft, fiberlasrar, kommer att behöva ta itu med två huvudutmaningar.
En är att laserstrålar vanligtvis är begränsade till konventionellt utformade optiska fibrer, som tenderar att vara mycket små i kärndiameter. När du skalar upp laserkraften, för mycket ljus koncentreras i fiberns kärna, och olinjära egenskaper förökar sig, vilket får laserstrålen att bredda sig eller bli modulerad.
"När du försöker komprimera strålen till en kort puls, det finns mycket energi som inte får plats i den pulsen, " förklarar Marciante. "Den användbara kraften sprider sig, eller fokuserar inte där du vill ha det. "
Den andra utmaningen är överhettning. "Du pumpar laserstrålen på en energinivå, på ena sidan, och sedan extrahera den på en lägre energinivå, på andra änden, och ingen process är 100 procent termiskt effektiv. Så den där extra energin hamnar i fibern. Fibern kan bli väldigt varm, till och med till smältpunkten, Säger Marciante.
Förutom den forskning som gjorts av hans eget team, Marciante kommer att utnyttja ett nätverk av veteranforskare i USA och utomlands och ta in tredjepartsleverantörer med beprövad fiberdesign- och tillverkningskapacitet.
Marciantes forskning har redan gett följande resultat:
"Det är en väldigt spännande utmaning, Säger Marciante.
"Ingen i världen har kunnat göra denna specifika typ av femtosekundlaserbehandling av metallytor, "tillägger han." Att lansera kommersiella produkter med denna teknik kommer att bli en riktig spelväxlare. Detta är en möjlighet för en gång i livet att skapa ny vetenskap. "
