การจัดเก็บข้อมูลผ่านการแกะสลักด้วยเลเซอร์

เลเซอร์ได้รับการพัฒนาครั้งแรกในปี 1960 และได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตลาดเทคโนโลยีเลเซอร์ทั่วโลก คาดการณ์ไว้ ที่จะเติบโตไป 35.4 พันล้านดอลลาร์ ภายในปี 2032 การเติบโตนี้ ถูกขับเคลื่อน จากความต้องการเลเซอร์ที่เพิ่มขึ้นในภาคส่วนต่างๆ รวมถึงการสื่อสาร การป้องกัน วิทยาศาสตร์ ความปลอดภัย การจัดเก็บข้อมูล และอื่นๆ

เลเซอร์ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่เปล่งแสงผ่านการขยายแสงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการแกะสลัก การแกะสลักด้วยเลเซอร์เป็นกระบวนการในการสร้างการมาร์กบนพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ เช่น รหัส QR บาร์โค้ด โลโก้ และหมายเลขซีเรียล เครื่องหมายเหล่านี้มีข้อมูลสำคัญในการติดตามแหล่งที่มาของผลิตภัณฑ์เฉพาะตลอดวงจรชีวิตทั้งหมด เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยและความทนทาน นอกจากนี้กระบวนการนี้ ถูกนำมาใช้ เพื่อสร้างงานศิลปะให้กับผลิตภัณฑ์

การแกะสลักด้วยเลเซอร์จัดอยู่ในหมวดหมู่ของการมาร์กด้วยเลเซอร์ที่ใหญ่กว่า ซึ่งรวมถึงการหลอมด้วยเลเซอร์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ให้ความร้อนแก่วัสดุ และการแกะสลักด้วยเลเซอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการทำให้วัสดุกลายเป็นไอ เนื่องจากมีความอเนกประสงค์สูง เลเซอร์จึงสามารถกัดโลหะได้เกือบทุกชนิด

ดังนั้นสิ่งนี้ทำงานอย่างไร

ในการสร้างเครื่องหมาย ลำแสงเลเซอร์จะปล่อยพลังงานปริมาณมากไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นสูง ทำให้พื้นผิวของวัสดุละลาย เมื่อพื้นผิวขยายตัวและเย็นตัวลง ก็จะเกิดเป็นเครื่องหมายที่ต้องการ แตกต่างจากกระบวนการอื่นๆ ที่เพียงแค่เปลี่ยนสีหรือพื้นผิวของพื้นผิว การกัดด้วยเลเซอร์จะเปลี่ยนแปลงพื้นผิว ทำให้เกิดการยกตัวหรือ จม บริเวณที่มีเนื้อสัมผัสที่หยาบกว่า

ดังนั้น ด้วยการเปลี่ยนพื้นผิวของวัสดุด้วยความช่วยเหลือของเลเซอร์ จึงทำให้เกิดการออกแบบและลวดลายถาวรที่แตกต่างกัน

เลเซอร์ประเภทต่างๆ ที่ใช้ในการแกะสลัก ได้แก่ ไฟเบอร์, CO2, คริสตัล, เลเซอร์ไดโอด และเลเซอร์โซลิดสเตตแบบปั๊มด้วยไดโอด

วิธีการสร้างเครื่องหมายบนวัสดุนี้ให้ประโยชน์ต่างๆ เช่น ความเร็วและการปรับแต่งที่ครอบคลุม นอกจากนี้ยังเป็นวิธีที่ไม่สัมผัสซึ่งไม่ก่อให้เกิดปฏิกิริยาทางเคมีหรือสร้างความเค้นเชิงกล และผลิตเครื่องหมายคุณภาพที่เหนือกว่า การแกะสลักด้วยเลเซอร์ยังสามารถทนทานต่อการบำบัดที่ไม่ทำให้เกิดการเสียดสี เช่น การเคลือบด้วยผง

นอกจากนี้การแกะสลักด้วยเลเซอร์ยังสามารถ นำมาใช้ บนวัสดุหลากหลายประเภท เช่น ไม้ หนัง พลาสติก แก้ว เซรามิค หินธรรมชาติ และสารกึ่งตัวนำ นอกจากนี้ยังใช้ได้ผลกับโลหะเกือบทุกชนิด เช่น อลูมิเนียม อลูมิเนียมอโนไดซ์ ตะกั่ว แมกนีเซียม เหล็ก สังกะสี ทองแดง ทองเหลือง และไททาเนียม โดยพื้นฐานแล้ว วัสดุเกือบทุกชนิดสามารถแกะสลักด้วยเลเซอร์ได้ 

อย่างไรก็ตาม การแกะสลักด้วยเลเซอร์ไม่ได้ปราศจากปัญหา เช่น ค่าใช้จ่ายล่วงหน้าสูงสำหรับเครื่องจักร นอกจากนี้ เครื่องหมายยังสามารถเสื่อมสภาพได้ในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น ในสภาพแวดล้อมที่มีการพ่นทราย 

แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ แต่ประโยชน์ของการแกะสลักด้วยเลเซอร์ก็มีมากกว่าข้อเสีย ดังนั้นจึงแนะนำให้ใช้กับการมาร์กส่วนใหญ่ การแกะสลักด้วยเลเซอร์ ใช้กันอย่างแพร่หลาย ในอุตสาหกรรมต่างๆ มากมายในด้านความคล่องตัว ประสิทธิภาพ และความแม่นยำ รวมถึงยานยนต์ อิเล็กทรอนิกส์ การบรรจุ และการผลิตโลหะเพื่อการป้องกัน เครื่องประดับ ศิลปะ และอุปกรณ์ทางการแพทย์

การประยุกต์ใช้การแกะสลักด้วยเลเซอร์ที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งคือการจัดเก็บข้อมูล กว่าทศวรรษที่แล้ว ฮิตาชิพูดถึง การเก็บรักษาข้อมูล เป็นเวลาหลายร้อยล้านปีด้วยการเข้ารหัสด้วยเลเซอร์ในแผ่นแก้วควอตซ์ อย่างไรก็ตาม เทคนิคนี้ไม่ได้ช่วยแก้ปัญหาการจัดการข้อมูลจำนวนมหาศาล 

เมื่อไม่กี่ปีก่อน Peter Kazansky ศาสตราจารย์จากศูนย์วิจัยออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่มหาวิทยาลัย Southampton เก็บไว้ ข้อมูล 500 เทราไบต์บนจานแก้วขนาดเล็กผ่านการแกะสลักด้วยเลเซอร์

การดัดแปลงพื้นผิวโพลีซัลไฟด์ด้วยเลเซอร์กำลังต่ำ

เมื่อพิจารณาถึงประโยชน์มากมายของการแกะสลักด้วยเลเซอร์ นักวิจัยและนักวิทยาศาสตร์มักมองหาวิธีปรับปรุงเทคโนโลยีและค้นหาการใช้งานใหม่ๆ อยู่เสมอ ล่าสุดนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฟลินเดอร์ส ค้นพบว่าพอลิเมอร์ที่ได้มาจากกำมะถันที่ไวต่อแสงมีราคาไม่แพง เปิดรับแสงเลเซอร์ที่มองเห็นได้และพลังงานต่ำ 

โดยทั่วไป เพื่อที่จะเปลี่ยนพื้นผิวของโพลีเมอร์ซึ่งประกอบด้วยโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่มาก เราจำเป็นต้องมีเลเซอร์ที่ปล่อยพลังงานที่สูงมาก การใช้เลเซอร์กำลังสูง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไฮเทค ผลิตภัณฑ์ชีวการแพทย์ และการจัดเก็บข้อมูล สามารถผลิตส่วนประกอบได้- อย่างไรก็ตาม ด้วยการค้นพบล่าสุด เราจึงสามารถเห็นวิธีการผลิตที่ประหยัดและปลอดภัยยิ่งขึ้น 

ตามที่ผู้ร่วมวิจัยและผู้ร่วมเขียน Dr Lynn Lisboa:

“ผลกระทบของการค้นพบนี้ขยายไปไกลเกินกว่าห้องปฏิบัติการ โดยมีศักยภาพการใช้งานในอุปกรณ์ชีวการแพทย์ อิเล็กทรอนิกส์ การจัดเก็บข้อมูล ไมโครฟลูอิดิก และการประยุกต์ใช้วัสดุเชิงฟังก์ชันอื่นๆ อีกมากมาย” 

ตีพิมพ์ใน Angewandte Chemie International Edition, ศึกษา กล่าวถึงความสำคัญของการปรับเปลี่ยนพื้นผิวโพลีเมอร์ด้วยแสงเลเซอร์เพื่อรองรับความก้าวหน้าในด้านต่างๆ โดยชี้ว่าการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวมักจะต้องใช้เลเซอร์กำลังสูงที่มีราคาแพง ซึ่งต้องใช้เครื่องมือและสิ่งอำนวยความสะดวกพิเศษเพิ่มเติมเพื่อลดความเสี่ยงในการสัมผัสกับรังสีในระดับที่เป็นอันตราย . จากนั้นก็มีระบบโพลีเมอร์เองที่มีแนวโน้มที่จะซับซ้อนและมีราคาแพงในการพัฒนาเพื่อให้เลเซอร์สามารถปรับเปลี่ยนได้อย่างง่ายดาย 

ด้วยเหตุนี้ โพลีเมอร์ที่สามารถเข้าถึงได้ง่ายและทำปฏิกิริยาเมื่อสัมผัสกับรังสีในระดับต่ำจึงมีความจำเป็น เนื่องจากนั่นหมายถึงระบบเลเซอร์ที่ง่ายกว่า ปลอดภัยกว่า และประหยัดกว่า

การค้นพบโคโพลีเมอร์ซัลเฟอร์ที่มีราคาไม่แพงและเปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็วโดยใช้เลเซอร์ที่ให้แสงอินฟราเรดที่มองเห็นและมองไม่เห็นพลังงานต่ำตอบสนองความต้องการเหล่านี้ ในการสร้างโคพอลิเมอร์กำมะถัน นักวิจัยได้ใช้ธาตุกำมะถัน (S) และไซโคลเพนทาไดอีนหรือไดไซโคลเพนทาไดอีน 

จากนั้น ทีมวิจัยจึงสามารถปรับเปลี่ยนพื้นผิวของพอลิเมอร์ได้โดยใช้ชุดเลเซอร์คลื่นพลังงานต่ำที่มีความยาวคลื่น 532, 638 และ 786 นาโนเมตร การปรับเปลี่ยนเหล่านี้รวมถึงการกัดด้วยวิธีการลอกออกหรือการบวมแบบควบคุม 

จากนั้นการศึกษาได้นำการดัดแปลงระบบพอลิเมอร์ผ่านเลเซอร์และการสังเคราะห์ที่ง่ายดายมาประยุกต์ใช้ในสองรูปแบบ ได้แก่ การจัดเก็บข้อมูลแบบลบได้และการพิมพ์หินด้วยเลเซอร์โดยตรง ปริมาณกำมะถันที่สูงของพอลิเมอร์เหล่านี้ส่งผ่านคุณสมบัติทางเคมี ฟิสิกส์ และเชิงแสงที่หลากหลาย ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลากหลาย ทั้งการกักเก็บพลังงาน ออปติกสำหรับการถ่ายภาพความร้อน และการเชื่อมโลหะ

จากนั้นก็มีพันธะ S−S ที่สามารถ อกหัก และปฏิรูปใหม่ ทำให้เกิดการฟื้นฟูและการใช้งาน พันธะ S-S ในโคพอลิเมอร์กำมะถันคือสิ่งที่นำไปสู่การค้นพบของการศึกษา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่า พื้นผิวของโคพอลิเมอร์มีการเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัด หลังจากเปิดรับแสงน้อยกว่า 1 วินาทีกับเลเซอร์ไดโอด 690 นาโนเมตร 1.10 มิลลิวัตต์ การศึกษาระบุว่า:

“ด้วยกำลังแสงเลเซอร์ต่ำและเวลาเปิดรับแสงสั้น การปรับเปลี่ยนโพลีเมอร์อย่างรวดเร็วนี้จึงเป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจ” 

การปรับเปลี่ยนด้วยเลเซอร์ทำให้สามารถจัดเก็บข้อมูลที่สามารถลบล้างได้

วารสารเคมีที่ตีพิมพ์งานวิจัยนี้ยังได้นำเสนอภาพแกะสลักโมนาลิซาอันโด่งดังในรูปแบบการแกะสลักด้วยเลเซอร์ ควบคู่ไปกับการพิมพ์อักษรเบรลล์ขนาดเล็ก ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าหัวเข็มหมุดกลมด้วยซ้ำ

การศึกษานี้ได้รับทุนสนับสนุนจาก Australian Research Council, Flinders Microscopy and Microanalysis, ANFF-SA และ Microscopy Australia โดยเน้นการค้นพบที่สามารถปูทางไปสู่การใช้วัสดุที่มีความยั่งยืนมากขึ้น โดยเฉพาะการศึกษานี้ใช้โพลีเมอร์ที่ทำจากกำมะถันผลพลอยได้ทางอุตสาหกรรมที่มีต้นทุนต่ำ นอกจากนี้ วิธีการนี้ยังช่วยลดความจำเป็นในการใช้อุปกรณ์เฉพาะทางที่มีราคาแพงได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือเลเซอร์กำลังสูงมีความเสี่ยงต่อการแผ่รังสีอันตราย

การค้นพบ ถูกสร้างขึ้น ในระหว่างการวิเคราะห์ตามปกติของโพลีเมอร์ที่ประดิษฐ์ขึ้นเมื่อสองปีที่แล้วที่ Chalker Lab โดยผู้สมัครระดับปริญญาเอก Samuel Tonkin และศาสตราจารย์วิชาเคมี Justin Chalke จากสถาบันวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมระดับนาโนของมหาวิทยาลัย Flinders

โพลีเมอร์ชนิดใหม่ ถูกพบ จะต้องปรับเปลี่ยนทันทีเมื่อแสงเลเซอร์สัมผัสกับพื้นผิว แจกันดอกไม้โรแมนติกนี้ดร. คริสโตเฟอร์ กิบสัน ผู้ร่วมเขียนงานวิจัยและนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยฟลินเดอร์ส กล่าวว่า เป็น “การตอบสนองที่ผิดปกติ” ที่ไม่ได้เกิดขึ้น ได้รับการปฏิบัติ ก่อนบนโพลีเมอร์ทั่วไปอื่นๆ เขาพูดว่า:

“เรารู้ทันทีว่าปรากฏการณ์นี้อาจมีประโยชน์ในการใช้งานหลายอย่าง ดังนั้นเราจึงสร้างโครงการวิจัยเกี่ยวกับการค้นพบนี้” 

Abigail Mann ผู้สมัครระดับปริญญาเอกจากวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ Flinders เรียกการพัฒนาที่น่าตื่นเต้นนี้ว่า ด้วยการใช้เทคนิคใหม่ๆ ในการสร้างโครงสร้างของไมโครมิเตอร์และสเกลขนาดเล็กสำหรับวัสดุที่ใช้ซัลเฟอร์ พวกเขา "หวังว่าจะสร้างแรงบันดาลใจให้เกิดความสมจริงในวงกว้าง" การใช้งานระดับโลกในห้องปฏิบัติการของเราและที่อื่นๆ”

การค้นพบนี้เป็นแนวทางใหม่ในการสร้างรูปแบบที่แม่นยำบนพื้นผิวโพลีเมอร์ ความสามารถดังกล่าวมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้กับอุปกรณ์ชีวการแพทย์ที่มีพื้นผิวที่มีลวดลาย วิธีการใหม่ๆ ในการใช้โพลีเมอร์ในการจัดเก็บข้อมูล และแนวทางทางเลือกในการผลิตอุปกรณ์ระดับนาโนสำหรับไมโครฟลูอิดิก เซ็นเซอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

ในการสาธิตเชิงปฏิบัติเกี่ยวกับศักยภาพในการจัดเก็บข้อมูลแบบลบได้ การศึกษานี้แสดงให้เห็นความสามารถในการเข้ารหัสข้อความเป็นอักษรเบรลล์ แจกันดอกไม้โรแมนติกนี้ ประสบความสำเร็จ โดยใช้เลเซอร์เพื่อสร้างจุดที่ยกขึ้นบนวัสดุ โดยใช้ประโยชน์จากพันธะ S−S แบบไดนามิกและคุณสมบัติที่คล้ายกับไวไตรเมอร์ ซึ่งเป็นพลาสติกประเภทหนึ่งที่ช่วยอำนวยความสะดวกทั้งการเขียนและการลบข้อความ 

ในการสร้างการสะกดคำว่า "ข้อความลับ" ในอักษรเบรลล์ นักวิจัยใช้เลเซอร์ที่มีการตั้งค่าพลังงานเลเซอร์ต่ำกว่า (638 นาโนเมตร, 2.4 มิลลิวัตต์) จุดที่ยกขึ้นซึ่งมีความสูง 3.6 μm±0.2 μm ถูกสร้างขึ้นโดยการเปิดเผยพื้นผิวของโพลีเมอร์กับเลเซอร์เป็นเวลาเพียง 1.3 วินาที

จากนั้น ทีมงานใช้การตั้งค่าพลังงานที่สูงขึ้น (638 นาโนเมตร 5.4 มิลลิวัตต์) เพื่อสร้างหลุมที่มุมผ่านการระเหยและการนำวัสดุออก อีกครั้ง ระดับแสงเลเซอร์ที่นี่ก็อยู่ที่ 1.3 วินาทีเช่นกัน 

การศึกษาพบว่าการใช้ความร้อนลบจุดที่ยกขึ้นเมื่อบ่มในเตาอบที่อุณหภูมิ 160 °C เป็นเวลา 5 ชั่วโมง หลุมที่เกิดจากการระเหยยังคงสภาพเดิมเนื่องจากโพลีเมอร์สูญเสียกำมะถันอย่างถาวร 

กระบวนการเข้ารหัสข้อมูลแบบถอดได้ ตามการศึกษานี้ "ถือเป็นทิศทางใหม่ในวัสดุที่ตอบสนองต่อแสง โดยมีประโยชน์ในความเรียบง่ายของการสังเคราะห์วัสดุและการใช้เลเซอร์พลังงานต่ำ"

การศึกษาเพิ่มเติมแสดงให้เห็นถึงการสร้างภาพระดับไมโครที่ซับซ้อนโดยใช้การพิมพ์หินด้วยเลเซอร์โดยตรง ด้วยการใช้เลเซอร์ 532 นาโนเมตรที่ทำงานที่กำลังไฟ 7 % (1.3 mW) ทีมวิจัยของ Flinders ได้สร้างเส้นที่ละเอียดยิ่งขึ้นของ “ไมโคร ลิซ่า” ภาพไมโครมีความกว้างประมาณ XNUMX ไมโครเมตรและลึก XNUMX ไมโครเมตร ไมครอนหรือไมโครเมตร ซึ่งแสดงเป็น µm มีค่าเท่ากับหนึ่งในล้านของเมตร 

จากนั้นทีมงานใช้เลเซอร์กำลังสูง (3.0 mW) เพื่อสร้างเส้นที่กว้างและลึกขึ้นของกรอบสี่เหลี่ยมจัตุรัสกว้าง 23 μm และลึก XNUMX μm ตามที่ทีมงานระบุ การพิมพ์หินด้วยเลเซอร์โดยตรงนี้มีความโดดเด่นในแง่ของต้นทุนที่ต่ำของสารตั้งต้นโพลีเมอร์และความเรียบง่ายของระบบเลเซอร์

คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้ว่าเลเซอร์อาจเปลี่ยนโฉมคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ได้อย่างไร

สรุป

ดังที่เราเห็นในการศึกษานี้ การใช้แสงเลเซอร์ที่มองเห็นได้และอินฟราเรดพลังงานต่ำ นักวิจัยสามารถปรับเปลี่ยนโคโพลีเมอร์ได้ การปรับเปลี่ยนทำได้รวดเร็ว โดยเวลาในการเปิดรับแสงสั้นมาก จากมิลลิวินาที หนึ่งในพันของวินาที ไปจนถึงหนึ่งวินาที มาตราส่วนเวลานี้สามารถเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญในอุตสาหกรรมต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุตสาหกรรมที่ต้องใช้การสร้างต้นแบบและกระบวนการผลิตทั้งหมด เสร็จแล้ว รวดเร็ว

ด้วยการควบคุมความยาวคลื่น เส้นผ่านศูนย์กลาง และกำลังของลำแสง นักวิจัยสามารถสร้างจุด รู หลุม ช่อง และหนามแหลมที่ยกขึ้นบนพื้นผิวโพลีเมอร์ได้ ความอเนกประสงค์นี้หมายความว่าสามารถสร้างแม้แต่รูปแบบที่ซับซ้อนได้ ซึ่งสามารถปรับปรุงฟังก์ชันการทำงานและตอบสนองการใช้งานเฉพาะได้ 

แต่นี่ไม่ใช่ทั้งหมด. เพียงแค่ให้ความร้อนแก่ตัวอย่าง นักวิจัยก็สามารถลบการเปลี่ยนแปลงการบวมตัวของโพลีเมอร์เพิ่มเติมได้ ความสามารถเหล่านี้มีความสำคัญ ดังที่แสดงให้เห็นโดยทีมงานที่มีการพิมพ์หินด้วยเลเซอร์โดยตรงของภาพที่ซับซ้อนและการเข้ารหัสข้อมูลที่ลบได้

การศึกษานี้ไม่เพียงแต่ให้วิธีการง่ายๆ เช่นเดียวกับวัสดุต้นทุนต่ำและระบบเลเซอร์ที่สามารถช่วยมอบโซลูชันที่เข้าถึงได้และคุ้มต้นทุนมากขึ้น แต่ยังมีประโยชน์โดยเฉพาะในการเข้ารหัส การจัดเก็บข้อมูล และสาขาอื่นๆ อีกมากมายที่มีการแก้ไขชั่วคราว จำเป็น

คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้ว่าเหตุใดเลเซอร์จึงมีบทบาทสำคัญในไม่กี่วันข้างหน้า