Lagring af data gennem lasergravering

Først udviklet i 1960 er laserne steget i popularitet i de seneste år. Det globale marked for laserteknologi forventes at vokse til $35.4 bln i 2032. Denne vækst drives af den stigende efterspørgsel efter laser på tværs af forskellige sektorer, herunder kommunikation, forsvar, videnskab, sikkerhed, datalagring og mere.

Laser, som er enheder der udsender lys via optisk forstærkning, bruges bredt til gravering. Lasergravering er en proces til at skabe mærkninger på overfladen af et produkt, såsom QR‑koder, stregkoder, logoer og serienumre. Disse mærkninger indeholder vigtig information til at spore oprindelsen af et bestemt produkt gennem hele dets livscyklus, hvilket sikrer dets sikkerhed og holdbarhed. Derudover denne proces bruges til at skabe kunstværker til produkter.

Lasergravering falder ind under en bredere kategori af lasermærkning, som også omfatter laserannealing – en proces der opvarmer materialet – og lasergravering, som involverer fordamning af materialet. Da den er meget alsidig, kan laserne gravere de fleste metaller.

Så, hvordan fungerer dette?

For at skabe et mærke udsender laserstrålen en stor mængde energi til et koncentreret område, hvilket smelter materialets overflade. Når overfladen udvider sig og køler af, dannes det ønskede mærke. I modsætning til andre processer, der kun ændrer farven eller teksturen på overfladen, ændrer lasergravering faktisk overfladen, og skaber et hævet eller sænket område med en ruere tekstur.

Dermed, ved at ændre overfladen af et materiale med hjælp fra en laser, skabes forskellige permanente designs og mønstre.

Forskellige typer af laser, der bruges til gravering, omfatter fiber‑lasere, CO2‑lasere, krystal‑lasere, diode‑lasere og diode‑pumpede fast‑stof‑lasere.

Denne metode til at skabe mærker på et materiale giver fordele såsom hastighed og omfattende tilpasning. Det er også en kontaktfri metode, der ikke forårsager kemiske reaktioner eller skaber mekanisk belastning og producerer mærker af overlegen kvalitet. Lasergravering kan også modstå ikke‑abrasive behandlinger såsom pulverbelægning.

Desuden kan lasergravering bruges på en bred vifte af materialer såsom træ, læder, plast, glas, keramik, naturlig sten og halvledere. Det er også effektivt på næsten alle metaller, herunder aluminium, anodiseret aluminium, bly, magnesium, stål, zink, kobber, messing og titanium kan gravere. Grundlæggende kan næsten enhver type materiale lasergraveres. 

Dog er lasergravering ikke uden problemer, såsom høje startomkostninger for maskiner. Derudover kan mærkerne slides i abrasive miljøer, såsom dem der udsættes for sandblæsning. 

På trods af disse udfordringer opvejer fordelene ved lasergravering langt deres ulemper, hvilket gør den anbefalet til de fleste mærkningsapplikationer. Lasergravering er bredt anvendt på tværs af mange industrier for sin alsidighed, effektivitet og præcision, herunder bilindustri, elektronik, emballage og forsvarsmaterialefremstilling, smykker, kunst og medicinsk udstyr.

En anden interessant anvendelse af lasergravering er datalagring. For mere end et årti siden talte Hitachi om bevare information i flere hundrede millioner år ved at laser‑kodes den i kvartsglasplader. Teknikken løste dog ikke problemet med at håndtere den enorme mængde data. 

For et par år siden, Peter Kazansky, en professor ved Optoelectronics Research Centre på University of Southampton, lagrede 500 terabyte data på en lille glasdisk via lasergravering.

Modificering af polysulfidoverflader med lav‑effekt lasere

Givet de store fordele ved lasergravering søger forskere og videnskabsfolk altid efter måder at forbedre teknologien og finde nye anvendelser. For nylig opdagede forskere fra Flinders University opdagede, at en billig, lys‑responsiv svovl‑afledt polymer er modtagelig for lav‑effekt, synligt‑lys lasere. 

Typisk, for at ændre overfladerne af polymerer, som består af meget store molekyler, har vi brug for lasere der udsender meget høj effekt. Ved brug af høj‑effekt lasere kan højteknologisk elektronik, biomedicinske produkter og datalagrings komponenter produceres. Med den seneste opdagelse kan vi dog se mere overkommelige og sikrere produktionsmetoder. 

Ifølge forskningsassistent og medforfatter Dr Lynn Lisboa:

“Betydningen af denne opdagelse strækker sig langt ud over laboratoriet, med potentiel anvendelse i biomedicinske enheder, elektronik, informationslagring, mikrofluidik og mange andre funktionelle materialeanvendelser.” 

Udgivet i Angewandte Chemie International Edition, noterer undersøgelsen vigtigheden af at modificere polymeroverflader med laserlys for at understøtte fremskridt inden for forskellige felter, samtidig med at den påpeger at sådanne ændringer normalt kræver dyre, høj‑effekt lasere, som yderligere kræver specielle værktøjer og faciliteter for at reducere risikoen for eksponering for farlig stråling. Derudover er polymer systemerne selv ofte indviklede og dyre at udvikle, så lasere kan ændre dem med lethed. 

Derfor er polymerer, der er let tilgængelige og reagerer, når de udsættes for lave niveauer af stråling, nødvendige, da det ville betyde enklere, sikrere og mere økonomiske lasersystemer.

Opdagelsen af billige og hurtigt ændrbare svovl‑copolymerer ved brug af lasere, der leverer lav‑effekt synligt og usynligt infrarødt lys, imødekommer disse behov. For at skabe svovl‑copolymerer anvendte forskerne elementært svovl (S) og enten cyclopentadien eller dicyclopentadien. 

Derefter, ved brug af en række lav‑effekt bølgelasere med bølgelængder på 532, 638 og 786 nm, var holdet i stand til at modificere polymerernes overflader. Disse modifikationer omfatter gravering gennem ablation eller kontrolleret svulst. 

Undersøgelsen anvendte derefter polymer systemernes modifikation gennem laser og enkel syntese i to anvendelser – sletbar informationslagring og direkte laserlithografi. Det høje svovlindhold i disse polymerer giver en række kemiske, fysiske og optiske egenskaber, hvilket muliggør forskellige anvendelser inden for energilagring, termisk billedoptik og metalbinding.

Derefter er der S−S bindingerne, som kan brydes og genopbygges, hvilket muliggør genoprettelse og brug. S−S bindingernes egenskab i svovl‑copolymerer er hvad der førte til undersøgelsens opdagelser. Især bemærkede forskerne, at polymerens overflade blev synligt ændret lige efter en eksponering på mindre end 1 sekund til en 690 nm, 1.10 mW diode‑laser. Undersøgelsen udtalte:

“Givet den lave effekt af laseren og de korte eksponeringstider, var denne hurtige polymermodifikation en overraskelse.”

Lasermodifikationer muliggør sletbar informationslagring

Det kemijournal, hvor undersøgelsen blev offentliggjort, indeholdt også en lasergravert version af den berømte Mona Lisa-etching sammen med udskrivning af en mikro‑braille, som var mindre end selv spidsen på en nål.

Finansieret af Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA og Microscopy Australia, fremhæver undersøgelsen en opdagelse, der kan bane vejen for brug af mere bæredygtige materialer. Specifikt anvendte undersøgelsen en polymer fremstillet af den lavpris industrielle biprodukt elementært svovl. Desuden kan denne metode mindske behovet for dyrt, specialiseret udstyr. Det er vigtigt at bemærke, at høj‑effekt lasere medfører risiko for farlig stråling.

Opdagelsen blev gjort under en rutinemæssig analyse af en polymer opfundet for to år siden i Chalker Lab af PhD‑kandidat Samuel Tonkin og professor i kemi Justin Chalke fra Flinders University Institute for NanoScale Science and Engineering.

Den nye polymer blev fundet at blive modificeret lige når laserlyset ramte dens overflade. Dette, sagde studiets medforfatter og Flinders University forsker Dr Christopher Gibson, var en “usædvanlig respons”, som ikke er blevet observeret før på andre almindelige polymerer. Han sagde:

“Vi indså straks, at dette fænomen kunne være nyttigt i en række anvendelser, så vi byggede et forskningsprojekt omkring opdagelsen.”

Da hun kaldte dette en spændende udvikling, sagde Abigail Mann, PhD‑kandidat ved Flinders College of Science and Engineering, at ved at bruge nye teknikker til at fremstille strukturer i mikrometer‑ og mindre skala for svovlbasserede materialer, de “håber at inspirere et bredt spektrum af virkelige anvendelser i vores laboratorium og videre.”

Denne opdagelse giver en ny måde at generere præcise mønstre på polymeroverfladen. En sådan evne har potentielle anvendelser i biomedicinske enheder med strukturerede overflader, nye metoder til brug af polymerer i datalagring, og alternative tilgange til fremstilling af nanoskalade enheder til mikrofluidik, sensorer og elektronik.

I en praktisk demonstration af dets potentiale for sletbar informationslagring viste undersøgelsen evnen til at kode en besked i Braille. Dette blev opnået ved at bruge en laser til at skabe hævede prikker på materialet, udnyttende de dynamiske S−S bindinger og egenskaber svarende til vitrimer – en kategori af plast, der muliggør både skrivning og sletning af beskeden. 

For at skabe stavelsen “hemmelig besked” i Braille brugte forskerne en laser med en lavere laserindstilling (638 nm, 2.4 mW). De hævede prikker, som havde en højde på 3.6 μm±0.2 μm, blev dannet ved at eksponere polymerens overflade for laseren i kun 1.3 sekunder.

Derefter brugte holdet en højere effektindstilling (638 nm, 5.4 mW) for at skabe huller i hjørnerne gennem ablation og materialefjernelse. Igen var lasereksponeringen også 1.3 sekunder. 

Undersøgelsen fandt, at den termiske behandling slettede de hævede prikker, når de blev inkuberet i en ovn ved 160 °C i 5 timer. Hullerne dannet ved ablation forblev intakte, da polymeren permanent mistede svovl. 

Processen med fjernbar informationskodning udgør, ifølge undersøgelsen, “en ny retning inden for fotoreaktive materialer, med fordele i enkelheden af materialets syntese og brug af lav‑effekt lasere.”

Undersøgelsen demonstrerede yderligere genereringen af et komplekst mikroskala‑billede ved brug af direkte laserlithografi. Ved brug af en 532 nm laser, der opererer ved 7 % effekt (1.3 mW), genererede Flinders forskerhold de finere linjer af “Micro Lisa”. Mikro‑billedet var omkring ni μm bredt og to μm dybt. Mikrometer, repræsenteret som µm, svarer til en milliontedel af en meter. 

Ved brug af en højere effektlaser (3.0 mW) genererede holdet derefter de bredere og dybere linjer af den 23 μm brede og fem μm dybe firkantede ramme. Denne direkte laserlithografi er ifølge holdet karakteristisk på grund af den lave pris på polymerunderlag og enkeltheden af lasersystemet.

Klik her for at lære, hvordan lasere kan transformere moderne computere.

Konklusion

Som vi så i denne undersøgelse, ved brug af lav‑effekt synligt og infrarødt laserlys, var forskerne i stand til at modificere copolymerer. Modifikationerne har været hurtige, med ekstremt korte eksponeringstider – fra millisekunder, en tusindedel af et sekund, til et sekund. Denne tidsramme kan være en betydelig fordel i forskellige industrier, især dem der kræver at hele prototyping‑ og fremstillingsprocesserne udføres hurtigt.

Ved at kontrollere bølgelængden, diameteren og effekten af strålen, var forskerne i stand til at skabe hævede prikker, huller, fordybninger, kanaler og spidser på polymeroverfladen. Denne alsidighed betyder, at selv komplekse mønstre kan skabes, hvilket kan forbedre funktionaliteter og opfylde specifikke anvendelser. 

Men det er ikke alt. Ved blot at opvarme prøven var forskerne i stand til yderligere at slette polymerens svulstmodifikationer. Disse evner er betydningsfulde, som demonstreret af holdet med direkte laserlithografi af komplekse billeder og sletbar informationskodning.

Denne undersøgelse har ikke kun leveret en simpel metode samt lavpris materialer og lasersystemer, der kan hjælpe med at give mere tilgængelige og omkostningseffektive løsninger, men kan også være specifikt nyttig i kryptering, datalagring og mange andre felter, hvor midlertidige modifikationer er nødvendige.

Klik her for at lære, hvorfor lasere vil spille en afgørende rolle i de kommende år.