Ta objava v ugledni reviji Nature Communications predstavlja najpomembnejši mejnik v raziskovalnem sklopu (1) Optodinamski vidiki interakcije svetloba-snov. Člani programske skupine dr. Tomaž Požar, dr. Jernej Laloš in dr. Aleš Babnik so v sodelovanju s tujimi raziskovalnimi skupinami zasnovali izvirni optodinamski poskus. Uporabili so ga za merjenje elektromagnetne gibalne količine svetlobe z opazovanjem mehanskih vplivov, ki so jih na osvetljenem objektu povzroči sevalni tlak. Pretvorba gibalne količine iz elektromagnetnega polja v elastične valove v trdni snovi poteka prek sosledja elektrodinamskih in elastodinamskih pojavov, ki jih povezujeta ohranitev gibalne količine in ohranitev energije. Podrobnosti take pretvorbe, kot jih napoveduje teorija, še niso bile eksperimentalno potrjene, saj je težko ločiti pomike, ki jih povzroča prenos gibalne količine, od tistih, ki jih povzroča segrevanje snovi zaradi absorpcije svetlobe. Tu so izmerili časovne spremembe površinskih premikov, ki so jih vzbudili laserski bliski, odbiti od trdnega dielektričnega zrcala. Ab initio modeliranje toka gibalne količine opisuje njen prenos iz elektromagnetnega polja v dielektrično zrcalo skupaj s tvorjenjen in širjenjem večkomponentnih elastičnih valov. Popolna skladnost med napovedanimi in absolutnimi meritvami površinskih pomikov daje prepričljiv dokaz, da je elastične valove v veliki meri povzročila gibalna količina svetlobe. Rezultati tega dosežka imajo potencial, da pojasnijo stoletno polemiko Abraham-Minkowski o gibalni količini svetlobe v snovi. Rezultati tega dosežka bodo uporabljeni v raziskovalnih sklopih (1) Optodinamski vidiki interakcije svetloba-snov in (2) Optodinamika laserskih obdelovalnih in drugih procesov.
COBISS.SI-ID: 16198683
Dosežek je nastal pod vodstvom član programske skupine dr. Peterom Gregorčičem. Predstavlja najpomembnejši mejnik v okviru raziskovalnega sklopa (2) Optodinamika laserskih obdelovalnih in drugih procesov. Dosežek predstavlja pomemben dokaz, da je laserski inženiring površin uporaben za funkcionalizacijo površin, ki omogočajo izboljšan prenos toplote z mehurčkastim vrenjem. Mehurčkasto vrenje je eden najučinkovitejših mehanizmov prenosa toplote pri nizkih temperaturnih razlikah med segreto površino in okoliško kapljevino. Uporablja se v številnih aplikacijah - od hlajenja jedrskih palic v elektrarnah do prenosa toplote v mikroelektroniki. Da bi izboljšali proces vrenja v smislu povečanja koeficienta toplotne prestopnosti in kritične gostote toplotnega toka, so v zadnjih desetletjih različni raziskovalci razvili številne pristope modifikacije površin. Vsak od poznanih pristopov pa ima vsaj eno pomembno pomanjkljivost, kot so zahtevna in draga proizvodnja; mehanska in/ali toplotna nestabilnost; ter otežena obdelava na veliki skalah. V okviru tega dosežka smo razvili preprosto, robustno in fleksibilno metodo, ki z uporabo nanosekundnega vlakenskega laserja omogoča izdelavo površinskih mikrojamic s pemeri v razponu od 200 nm do 10 um. Eksperimenti vrenja na teh površinah v dveh zelo raznolikih kapljevinah – v vodi, ki je polarna, ima visoko površinsko napetost in visoko izparilno latentno toploto; ter v nepolarnem dielektričnem tetradekafluoroheksanu (FC-72) z nizko površinsko napetostjo in veliko nižjo latentno toploto – so dokazali, da takšne površine omogočajo izboljšan prenos toplote in nadzorovano vrenje neodvisno od lastnosti delovnega fluida. Vse to dokazuje, da ima razvita metoda velik potencial, da zaobide trenutne omejitve modifikacije površin in s tem omogoči nadaljnjo miniaturizacijo mikroelektronskih naprav ter poveča zmogljivost in varnost v sistemih, ki zahtevajo odvajanje visokih gostot toplotnih tokov. V naslednjih korakih bomo te rezultate uporabili za razvoj ustreznih prototipov laserskega sistema in tehnologije, ki bodo omogočali izdelavo tovrstnih površin. Rezultate tega znanstvenega dosežka bomo uporabili v raziskovalnem sklopu (2) Optodinamika laserskih obdelovalnih in drugih procesov.
COBISS.SI-ID: 16034331
Vodja programske skupine dr. Matija Jezeršek in člana programske skupine dr. Jernej Laloš in dr. Peter Gregorčič so opravil optično študijo širjenja elastičnih valov v notranjosti kožnih nadomestkov iz agar gela, ki so bili vzbujeni z bliski laserja Er:YAG. Ta dosežek predstavlja najpomembnejši mejnik v temi programa (3) Optodinamika laserskih medicinskih posegov. Lasersko odklonsko sondo smo uporabili za merjenje širjenja ultrazvoka, hitro kamero pa za snemanje pomikov ob prehodih ablacijsko vzbujenih mehanskih valov. Te meritve smo nadalje analizirali s posebej razvitim algoritmom za prepoznavo slik, ki je uporabljal metode slikovne velocimetrije delcev in krivuljne interpolacije za določanje trajektorij točk, pomikov snovi in napetosti med prehodi mehanskih valov. Rezultati kažejo, da se ablacijsko vzbujeni elastični valovi širijo s hitrostjo 1 m/s in amplitudo 0,1 mm. V primerjavi z njimi so izmerjene hitrosti ultrazvočnih valov veliko večje, v območju 1,42-1,51 km/s, medtem ko so njihove amplitude za tri velikostne rede manjše. To dokazuje, da se agar gel lahko uporablja kot enostaven nadomestek za kožo in mehka tkiva v biomedicinskih raziskavah, saj ima njegova polimerna struktura ustrezne lastnosti mehke snovi, pri čemer pa je prozoren za vidno svetlobo in tako primeren za študij z optičnimi metodami. Predstavljeni rezultati dajejo vpogled v porazdelitev lasersko vzbujenih prehodnih elastičnih valov v nadomestkih mehkih tkiv, eksperimentalni pristop pa služi kot temelj za nadaljnje raziskave lasersko vzbujenih mehanskih učinkov globlje v tkivu. Sodelujoča raziskovalna organizacija Fotona, d.d. bo uporabila izsledke raziskav pri nadaljnjem razvoju novih pristopov v laserski dermatologiji. Rezultati tega dosežka bodo uporabljeni v raziskovalnih sklopih (1) Optodinamski vidiki interakcije svetloba-snov in (3) Optodinamika laserskih medicinskih posegov.
COBISS.SI-ID: 15967771
Člana programske skupine dr. Peter Gregorčič in dr. Matija Jezeršek sta raziskala, kakšen vpliv imajo različne geometrije konic optičnih vlaken na dinamiko parnih mehurčkov, če se po vlaknu v vodo dovajajo svetlobni bliski erbijevega laserja. Svetlobni bliski te vrste laserjev imajo izjemno kratko absorpcijsko dolžino. Absorbirana laserska energija vodo pregreje, čemur sledi tvorba parnih mehurčkov. Opisani optodinamski mehanizem uporabljajo v zobozdravstvo pri laserskem čiščenju zobnih kanalov, pri čemer so v uporabi različne geometrije vlakenskih konic. Ta geometrija ključno vpliva na tako na obliko parnih mehurčkov, kot tudi na delež svetlobne energije, ki se pretvori v mehansko energijo mehurčka. Razmerje med mehansko energijo mehurčka in optično energijo bliska so avtorji definirali kot optodinamski izkoristek energijske pretvorbe. Ta izkoristek je izjemnega pomena, saj večji izkoristek pomeni manjše neželene postranske poškodbe in segrevanje okoliškega tkiva. Pri omenjenih raziskavah so avtorji uporabili hitro senčno fotografijo. Izsledke raziskave bo sodelujoča raziskovalna organizacija Fotona d.d. uporabila pri nadaljnjem razvoju laserskih sistemov za čiščenje trdih tkiv (zobje in kosti). Rezultati tega znanstvenega dosežka bodo uporabljeni v raziskovalnih sklopih (1) Optodinamski vidiki interakcije svetloba-snov in (3) Optodinamika laserskih medicinskih posegov.
COBISS.SI-ID: 12358939
Dosežek smo dosegli v okviru sodelovanja med članom programske skupine dr. Petrom Gregorčičem z University of Southampton (Združeno Kraljestvo). Predstavlja pomemben prispevek k razvoju mikro/nano strukturiranja poljubnih vzorcev z uporabo digitalne naprave z mikrozrcali in lasersko povzročenega prenosa snovi. V okviru tega dosežka smo teoretično in eksperimentalno preučili režime prenosa in dinamiko polimernih koščkov pri laserskem prenosu snovi z uporabo hitre senčne fotografije. Eksperimente smo izvedli na 3.8 um in 6.4 um debelih polimernih SU-8 filmih, ki smo jih nanesli na germanijev in silicijev substrat. Poskuse smo izvedli s 150 fs dolgimi bliski s centralno valovno dolžino pri 800 nm. Bliske smo prostorsko preoblikovali s pomočjo digitalne naprave z mikrozrcali. Uporabili smo bliske s fluenco do 3.5 J/cm2, dinamiko pa posneli s CCD kamero, pri čemer smo osvetlitev izvedli z ultrahitro bliskovko na razelektritev. Izmerjene hitrosti prenesenega materiala so bile v območju 6-20 m/s. Pokazali smo, da so poškodbe odnesenih koščkov odvisne od debeline donorja, vrste substrata in fluence laserskih bliskov. Profili kraterjev na substratu in na koščkih odnesenega filma dokazujejo, da obstajajo različni režima prenosa, ki ključno vplivajo na mikrostrukturo. Rezultati pomembno prispevajo k boljšemu razumevanju laserskega prenosa snovi in bodo ključno pripomogli k določiti eksperimentalnih parametrov za mikrostrukturiranje s tem pristopom. Dosežek predstavlja pomembno osnovo za nadaljnje modeliranje lasersko induciranega prenosa snovi in za razvoj novih metod spremljanja, ki bodo izboljšale učinkovitost aplikacij z laserskim prenosom snovi. Rezultati tega znanstvenega dosežka bodo uporabljeni v raziskovalnih sklopih (1) Optodinamski vidiki interakcije svetloba-snov in (2) Optodinamika laserskih obdelovalnih in drugih procesov.
COBISS.SI-ID: 15103003
Član programske skupine dr. Tomaž Požar in soavtorji so dokazali, da so optodinamske metode zelo uporabno orodje tudi za iskanje odgovorov na pomembna vprašanja izven področja optodinamike. Eno od takih odprtih vprašanj je povezano s kavitacijsko erozijo. Vplivi in mehanizmi mikrocurkov in udarnih valov na nastanek vdolbin še niso bili dobro raziskani. Niso bili podrobno raziskani predvsem zato, ker je bilo poškodbe možno zaznati in oceniti šele po več zaporednih kolapsih mehurčkov. Z uporabo optodinamskega pristopa pa smo uspeli s fotionizacijo z laserjem Nd:YAG ustvariti mehurček z največjim premerom do 3,3 mm. Poškodbe smo opazovali na aluminijasti foliji debeline 9 um, ki je bila pritrjena na stekleno podlago. Uporabljali smo dve hitri kameri hkrati. Ena je snemala dinamiko mehurčka, druga pa je snemala poškodbe na foliji. Na ta način smo lahko opazovali kolaps mehurčka v prisotnosti toka kapljevine, pri čemer je večino poškodb povzročil mehanizem mikrocurkov. Včasih razpad mehurčkovega roba ob odboju začetnega mehurčka ustvari vdolbine v dobro znanem krožnem vzorcu. Iz posnetkov pri največji hitrosti snemanja smo ugotovili, da se snov deformira in nato delno sprosti, pri čemer ostane nezanemarljiva deformacija. Celoten proces traja le 2-3 us. Rezultati imajo pomemben vpliv na nadaljnji razvoj vseh treh programskih raziskovalnih sklopov. Rezultati tega dosežka bodo uporabljeni v raziskovalnih sklopih (1) Optodinamski vidiki interakcije svetloba-snov, (2) Optodinamika laserskih obdelovalnih in drugih procesov in (3) Optodinamika laserskih medicinskih posegov.
COBISS.SI-ID: 16342555
Član programske skupine, dr. Peter Gregorčič s soavtorji je v okviru sodelovanja z Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg (Nemčija) pomembno prispeval k razumevanju fizikalnih mehanizmov nastanka lasersko povzročenih periodičnih površinskih struktur (LIPSS). V okviru tega dosežka smo raziskali LIPSS na orodnem jeklu po obsevanju z majhnim številom pikosekundnih laserskih bliskov. V skladu s pričakovanji pri tem nastanejo periodične strukture z dolžinsko periodo, ki znaša okoli 90% valovne dolžine in orientacijo, ki je pravokotna na polarizacijo bliskov. Naknadno obsevanje iste površine z bliski, katerih polarizacijo zavrtimo za 45° ali 90°, povzroči vrtenje orientacije površinskih struktur. Pojav opazimo že po prvem dodatnem blisku, naslednjih nekaj bliskov pa prejšnjo strukturo povsem “prepiše”, medtem ko ostane perioda nespremenjena. Podobne rezultate smo opazili tudi pri prekrivanju bliskov, kar je vodilo v nastanek koherentnih sledi. Dobljeni rezultati postavljajo pod vprašaj ključno vlogo površinskih plazmonskih polaritonov in pritrjujejo mehanizmu dinamičnega taljenja, ki ga predpostavlja samo-organizacijski model. Rezultati tega znanstvenega dosežka bodo uporabljeni v raziskovalnih sklopih (1) Optodinamski vidiki interakcije svetloba-snov in (2) Optodinamika laserskih obdelovalnih in drugih procesov.
COBISS.SI-ID: 14711835
Član programske skupine, dr. Peter Gregorčič s soavtorji je predstavil pomemben dokaz, da lahko površine funkcionaliziramo tudi z nanosekundnimi laserskimi bliski in ovrednotil vpliv take obdelave s stališča korozijske odpornosti. Za teksturiranje superhidrofobne površine s samočistilnim učinkom smo uporabili nanosekundni Nd:YAG laser, s katerim smo teksturirali nerjavno jeklo 316L. Dosežek dokazuje, da lahko površinsko omočljivost uspešno spreminjamo tudi z nanosekundnimi laserskimi sistemi, ki so približno 10-krat cenejši kot ultrakratki (ps, fs) bliskovni laserski sistemi, ki predstavljajo trenutno stanje tehnike na področju laserske funkcionalizacije površin. Ta prispevek raziskuje tudi vpliv prehoda iz superhidrofilnega v superhidrofobno površinsko stanje na korozijske lastnosti. Rezultati izkazujejo popolno korelacijo med omočljivostjo in korozijo, saj superhidrofobna površina s kontaktnim kotom 168°+/-3.0 ° odraža povečano pasivnost, nižje anodalno raztapljanje in zmanjšanje korozijskega toka. Karakterizacija korozijskega napada z uporabo 3D mikroskopije razkriva visoko občutljivost superhidrofilnih površin na smer korozijske širitve glede na prehod laserskega snopa (90°/0°). Opazili smo, da se ta trend popolnoma zmanjša oz. izniči z razvojem superhidrofobnosti. Rezultati dokazujejo da lasersko teksturiranje povsem izniči intergranularno korozijo, ki jo zaznamo na neprocesiranem vzorcu. Rezultati tega znanstvenega dosežka bodo uporabljeni v raziskovalnem sklopu (2) Optodinamika laserskih obdelovalnih in drugih procesov.
COBISS.SI-ID: 15482907
Vodja programske skupine dr. Matija Jezeršek in član programske skupine dr. Nejc Lukač sta razvila novo optodinamsko metodo za ojačanje tlačnih valov v lasersko podprti endodontiji. Pri čiščenju površin zobnih koreninskih kanalov z lasersko vzbujenimi kavitacijskimi mehurčki se nastale kavitacijske oscilacije zaradi trenja na stenah votlin in drugih dejavnikov bistveno podaljšajo. Posledično so kolapsi manj intenzivni, udarni valovi, ki običajno nastanejo pri kolapsu mehurčka, pa so manjši ali pa sploh niso prisotni. Razvita je bila nova metoda sinhroniziranih laserskih bliskov, katere namen je ojačati udarne valove sesedlih mehurčkov v endodontnih kanalih napolnjenih s tekočino. Za karakterizacijo fotoakustičnih pojavov vzbujenih s sinhroniziranimi bliski laserja Er:YAG v omejenem območju v vodi smo uporabili naslednja optodinamska orodja in metode: laserska odklonska sonda, hitra kamera in senčna fotografija. Za ojačanje udarnega vala smo uporabili metodo, pri kateri sprožimo drugi laserski blisk z določenim časovnim zamikom glede na prvi laserski blisk, s katerim ustvarimo kavitacijski mehurček. Vpliv zakasnitve med prvim in drugim laserskim bliskom na nastanek tlačnih in udarnih valov med kolapsom prvega mehurčka smo izmerili pri različnih energijah laserskih bliskov in prostorninah kanalov. Rezultati kažejo, da je optimalna zakasnitev med dvema laserskima bliskoma močno povezana s periodo nihanja kavitacijskih mehurčkov. Pri optimalnih sinhronizacijskih pogojih smo opazili, da rast drugega kavitacijskega mehurčka pospešil kolaps prvega kavitacijskega mehurčka, kar povzroči silovit kolaps, pri katerem nastanejo udarni valovi. Ta dosežek predstavlja pomembno osnovo za nadaljnji razvoj modalitet laserske endodontije. Rezultati tega dosežka bodo uporabljeni v raziskovalnih sklopih (1) Optodinamski vidiki interakcije svetloba-snov in (3) Optodinamika laserskih medicinskih posegov.
COBISS.SI-ID: 15860251
Vodja programske skupine dr. Matija Jezeršek in člana programske skupine dr. Boris Cencič in dr. Peter Gregorčič so razvili nove optodinamske metode za spremljanje laserske ablacije pri laserskem odstranjevanju tetovaž. Učinkovitost interakcije laser-tkivo se zaradi nehomogene porazdelitve pigmenta v koži spreminja znotraj posamezne tetovaže. Zato smo razvili optodinamski nadzorni sistem za sočasno spremljanje postopka laserskega odstranjevanja tetovaž, ki temelji na akustičnih in optičnih metodah. Za merjenje akustičnih signalov ob razpadu smo uporabili lasersko odklonsko sondo, s CCD kamero pa smo zajeli stopnjo in prostorsko porazdelitev plazemskega sevanja. Z uporabo teh metod smo preučili delež absorpcije vzbujalnih bliskov v pigmentu in stopnjo strukturnih sprememb kože. V naših poskusih smo kot vzbujalni vir uporabili laser Nd:YAG z enakomernim profilom žarka, ki ga je za odstranitev tetovaž zasnovala sodelujoča raziskovalna organizacija Fotona, d.d. Posebno pozornost smo namenili strukturnim spremembam v koži, ki so odvisne od uporabljene fluence. Analizirali smo tudi odstranjevanje tetovaž z več bliski. Poskusi so bili narejeni in vitro (kožni nadomestki) in ex vivo (označevalne tetovaže na prašičji koži). Predstavljeni rezultati so pomembni za razumevanje in optimizacijo procesa, ki se uporablja v medicinskih terapijah. Rezultati tega dosežka bodo uporabljeni v raziskovalnih sklopih (1) Optodinamski vidiki interakcije svetloba-snov in (3) Optodinamika laserskih medicinskih posegov.
COBISS.SI-ID: 12427291