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光速成像技術(shù)

來源:實驗幫2017-03-15 我要評論(0 )   

在過去的幾年中,Chunlei Guo和他的研究團隊在羅切斯特大學發(fā)現(xiàn)了通過照射激光脈沖在材料表面可對這些結(jié)構(gòu)進行人工操作的方法。通過這種方法,他們已經(jīng)改變了材料的性質(zhì)...

 
 
尺寸較小的微米和納米結(jié)構(gòu)在材料的表面是肉眼看不見的,但在決定材料的物理,化學和生物醫(yī)學性能上發(fā)揮了重要作用。

在過去的幾年中,Chunlei Guo和他的研究團隊在羅切斯特大學發(fā)現(xiàn)了通過照射激光脈沖在材料表面可對這些結(jié)構(gòu)進行人工操作的方法。通過這種方法,他們已經(jīng)改變了材料的性質(zhì),使他們呈現(xiàn)排水吸水的特性,并在沒有任何類型的涂層情況下吸收大量的光。
 
如今Guo,Anatoliy Vorobyev,Ranran Fang作為大學的光學研究所的研究人員,對這項技術(shù)有了更進一步的研究。他們已經(jīng)開發(fā)出一種技術(shù),第一次,觀察到材料表面的微觀和納米結(jié)構(gòu)的形成,無論是在激光脈沖的應(yīng)用程序使用期間和還是之后的完整的演變。
 
Guo說:“在我們確定我們可以通過在它的表面創(chuàng)造微小結(jié)構(gòu)來徹底改變材料的特性之后,接下來的自然步驟就是了解這些微小的結(jié)構(gòu)是如何形成的。這是非常重要的,因為當你了解它們是如何形成的,你就可以更好地控制它們。”
 
了解了這種控制將可以用于實現(xiàn)各種技術(shù)的改進方法,包括防腐建材、減震器、燃料電池、太空望遠鏡、飛機除冰、醫(yī)療器械以及改善第三世界國家的衛(wèi)生情況。
 
在《自然》雜志旗下的《科學與應(yīng)用》雜志上發(fā)表的一篇論文中,該組織介紹了一種散射光成像技術(shù),使他們能夠記錄一種超快的激光照射材料表面的方法。在技術(shù)上打開一個觀察整個過程的窗口,如利用激光讓材料熔化,使其表面瞬態(tài)波動,制作永久性的微型和納米結(jié)構(gòu)等。
 
制作一個一英寸乘一英寸的金屬模式樣品,需要大約一個小時。確定微觀和納米結(jié)構(gòu)的形式,可以讓科學家能夠簡化這些結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建,包括加快表面圖案制作的速度和效率。
 
創(chuàng)建和改變這些小的結(jié)構(gòu),實現(xiàn)材料的部分特性性質(zhì),并減少臨時化學涂層的需要。
 
為了產(chǎn)生這些效應(yīng),研究人員使用飛秒激光器。這是一種可以產(chǎn)生了一個超快速激光脈沖的激光器,其產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時間為幾十飛秒。(一飛秒等于萬億分之一秒。)
改變激光的條件會導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)的形態(tài)特征的變化,如它們的幾何形狀,大小和密度,導(dǎo)致材料表現(xiàn)出各種特定的物理性質(zhì)。
 
我們很難獲得在微米納米尺寸的整個過程的詳細的圖像和事件發(fā)生情況,因為它們發(fā)生在飛秒,皮秒(一兆分之一秒的),和納秒(一秒的十億分之一)時間尺度。
 
換一種角度來看,Vorobyev解釋說,光從地球旅行到月球它需要大約一秒鐘的時間。然而,光只在一納秒內(nèi)只會走大約一步距離,一飛秒可走約0.3微米,這一個距離相當于病毒或細菌的直徑,僅約1英尺。
 
典型的攝像機以每秒五到30幀的速度記錄一系列圖像。但在實時播放一系列圖像時,人眼感知的是連續(xù)運動而不是一系列獨立的幀。
 
Guo的研究團隊是如何能夠在飛秒,皮秒和納秒時間間隔內(nèi)記錄的呢?他們使用了一種技術(shù),涉及散射光。飛秒激光脈沖時,光束一分為二:一個泵浦光束旨在為物質(zhì)目標造成微-納米結(jié)構(gòu)的變化,和第二探針束作為一個閃光燈照亮的過程,并由CCD攝像頭這種高分辨能力高度敏感的成像裝置進行記錄成像。
 
“我們非常努力地開發(fā)這種新技術(shù),”Guo說。“隨著散射光脈沖在飛秒時間間隔內(nèi)進行傳輸,我們可以捕捉到非常小的變化,以極快的速度。從這些圖像,我們可以清楚地看到結(jié)構(gòu)是如何開始形成的。”
 
Guo解釋說,這種散射光的可視化技術(shù)可以捕捉任何發(fā)生在一分鐘內(nèi)時間規(guī)模的過程。我們開發(fā)的技術(shù)不一定只限于研究在我實驗室內(nèi)所具有的材料表面效應(yīng),我們這項工作的研究基礎(chǔ)對于超快材料表面的微小變化都是非常重要的。”這包括研究熔融,結(jié)晶,流體動力學,甚至細胞的活動等。

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光成像技術(shù)材料表面
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