激光技术加速超材料研究

尽管超材料是由日常聚合物、陶瓷和金属制成的，但由于复杂结构中的精密微尺度结构，让超材料具有了非凡性能。在计算机模拟的帮助下，工程师可以处理任何微观结构的组合，观察某些材料是如何转化为聚焦声学透镜或轻质防弹膜。

模拟的作用有限。为了确定超材料是否能达到预期，必须对其进行物理测试。但目前还没有可靠的方法在微观尺度上推动超材料的研究进程，了解它们的响应机制，而不会在过程中接触和物理损坏结构。

为了解决这一问题，麻省理工学院的研究人员开发了一种技术，用两个激光器系统探测超材料——一个用于快速撞击结构，另一个用于测量其响应振动的方式，就像用木槌敲钟并记录一样。与木槌相比，激光不进行物理接触。然而，它们可以在超材料的微小梁和支柱中产生振动，就好像结构被物理撞击、拉伸或剪切一样。

然后，工程师们可以使用由此产生的振动来计算材料的各种动态特性，例如它将如何应对冲击，以及将如何吸收或散射声音。利用超快激光脉冲，他们可以在几分钟内激发和测量数百个微型结构。该技术首次为动态表征微尺度超材料提供了一种安全、可靠和高通量的方法。

这张光学显微照片显示了反射基底上的一组微观超材料样品。激光脉冲以数字方式添加，描绘了泵（红色）和探针（绿色）脉冲对中心样本的诊断。LIRAS技术在几分钟内扫描基板上的所有样品

麻省理工学院机械工程专业的职业发展教授Carlos Portela和他在麻省理工学院和美国能源部堪萨斯城国家安全校区的同事们，将这种方法称为LIRAS（激光诱导共振声学光谱学）。Portela使用的超材料是由常见的聚合物制成，他将这些聚合物3D打印成由微观支柱和梁制成的微小的脚手架状塔。每座塔都是通过重复和分层单个几何单元来形成图案的，例如连接梁的八角配置。当端对端堆叠时，塔的布置可以赋予整个聚合物原本不具有的特性。

但工程师们在物理测试和验证这些超材料特性方面的选择受到严重限制。纳米压痕是探测这种微观结构的典型方式，尽管是以一种非常谨慎和可控的方式。该方法使用微米级尖端缓慢向下推动结构，同时测量结构压缩时的微小位移和力。

Portela说：“但这种技术只能进行得很快，同时也会破坏结构。我们想找到一种方法来测量这些结构的动态行为，例如在对强烈撞击的初始反应中，但不会破坏它们。”

对此，研究团队转向了激光超声，这是一种非破坏性方法，使用调谐到超声频率的短激光脉冲，在不接触的情况下激发非常薄的材料。激光激发产生的超声波在一定范围内，可以使薄膜以薄膜精确厚度的频率振动，精确程度可以达到纳米级。该技术也可用于确定薄膜是否存在任何缺陷。

Portela和他的同事们意识到，超声波激光器也可能安全诱导3D超材料塔的振动；这些塔的高度从50微米到200微米不等，在微观尺度上与薄膜相似。为了验证这一想法，研究人员建造了一个由两个超声波激光器组成的桌面装置——一个用于激发超材料样品的“脉冲”激光器和一个用于测量由此产生的振动的“探针”激光器。

然后，研究人员在一指甲盖大小的芯片上打印了数百个微观塔，每个塔都有特定的高度和结构。他们将这座超材料的微型城市放置在两个激光装置中，然后用重复的超短脉冲激励向塔发射。第二台激光器测量了每座塔的振动。然后，研究小组收集了数据，并寻找振动模式。

麻省理工学院的一项新技术使用激光安全地扫描超材料的微观塔，引发振动，然后用第二台激光捕捉并分析，以推断结构的动态特性

麻省理工学院机械工程专业的职业发展教授Carlos Portela和他在麻省理工学院和美国能源部堪萨斯城国家安全校区的同事们，将这种方法称为LIRAS（激光诱导共振声学光谱学）。Portela使用的超材料是由常见的聚合物制成，他将这些聚合物3D打印成由微观支柱和梁制成的微小的脚手架状塔。每座塔都是通过重复和分层单个几何单元来形成图案的，例如连接梁的八角配置。当端对端堆叠时，塔的布置可以赋予整个聚合物原本不具有的特性。

但工程师们在物理测试和验证这些超材料特性方面的选择受到严重限制。纳米压痕是探测这种微观结构的典型方式，尽管是以一种非常谨慎和可控的方式。该方法使用微米级尖端缓慢向下推动结构，同时测量结构压缩时的微小位移和力。

Portela说：“但这种技术只能进行得很快，同时也会破坏结构。我们想找到一种方法来测量这些结构的动态行为，例如在对强烈撞击的初始反应中，但不会破坏它们。”

对此，研究团队转向了激光超声，这是一种非破坏性方法，使用调谐到超声频率的短激光脉冲，在不接触的情况下激发非常薄的材料。激光激发产生的超声波在一定范围内，可以使薄膜以薄膜精确厚度的频率振动，精确程度可以达到纳米级。该技术也可用于确定薄膜是否存在任何缺陷。

Portela和他的同事们意识到，超声波激光器也可能安全诱导3D超材料塔的振动；这些塔的高度从50微米到200微米不等，在微观尺度上与薄膜相似。为了验证这一想法，研究人员建造了一个由两个超声波激光器组成的桌面装置——一个用于激发超材料样品的“脉冲”激光器和一个用于测量由此产生的振动的“探针”激光器。

然后，研究人员在一指甲盖大小的芯片上打印了数百个微观塔，每个塔都有特定的高度和结构。他们将这座超材料的微型城市放置在两个激光装置中，然后用重复的超短脉冲激励向塔发射。第二台激光器测量了每座塔的振动。然后，研究小组收集了数据，并寻找振动模式。