Lasery stają się integralną częścią niezliczonych urządzeń i gałęzi przemysłu. Kiedy wiązka laserowa oddziałuje z powierzchnią materiału w nanoskali, emituje falę światła zwaną „plazmonem”, a właściwości danego plazmonu mogą przekazywać informacje. W transmisji optycznej laser pompuje światło do elementu zwanego „absorberem nasycającym się”, aby wytworzyć sygnał optyczny.
Technologia laserowa ma również szeroki zakres zastosowań w przetwórstwie przemysłowym, takim jak precyzyjne czyszczenie komponentów, cięcie i spawanie z dużą mocą oraz mikroobróbka, taka jak wiercenie, rytowanie, dokładne szlifowanie, polerowanie, cięcie, teksturowanie, usuwanie izolacji i izolowanie. W dziedzinie produkcji przemysłowej inżynierowie już dawno próbowali wykorzystać lasery do mikroobróbki. Jednak ze względu na długie szerokości impulsów i niskie natężenie lasera laserów, powodując topnienie materiału i dalsze odparowywanie, chociaż wiązka lasera może zostać skupiona w bardzo małym miejscu, wpływ termiczny na materiał jest nadal znaczny, co ogranicza dokładność procesu. Jedynym sposobem na poprawę jakości obróbki jest zmniejszenie wpływu termicznego. Gdy wymagana jest dokładność jednego mikrona, lasery o ultrakrótkich impulsach są najlepszym narzędziem do precyzyjnego czyszczenia, polerowania z dużą precyzją, odnawiania powierzchni i spawania lub innej modyfikacji dużych ilości materiału.
Lasery o ultrakrótkich impulsach to lasery impulsowe, których wyjściowe szerokości impulsów laserowych mieszczą się w klasie pikosekund (10-12 s) lub mniej niż w klasie pikosekund. W zależności od szerokości impulsu lasera wyjściowego, lasery o ultrakrótkich impulsach można dalej podzielić na lasery pikosekundowe, lasery femtosekundowe i lasery attosekundowe. Lasery o ultrakrótkich impulsach zwiększają energię wysokich impulsów, radykalnie zmieniając reakcję obiektu świetlnego. Ogólnie rzecz biorąc, im węższa szerokość impulsu, tym wyższa dokładność przetwarzania.
Kiedy laser jest przykładany do materiału z czasem impulsu rzędu pikosekund, wyniki obróbki zmieniają się dramatycznie. Ponieważ energia impulsu gwałtownie wzrasta, wysoka gęstość mocy jest wystarczająca do usunięcia elektronów z zewnętrznej warstwy. Ze względu na krótki czas oddziaływania lasera z materiałem, jony są usuwane z powierzchni materiału, zanim energia zostanie przekazana do otaczającego materiału, bez wpływu termicznego na otaczający materiał, stąd określenie „obróbka na zimno”.
Kiedy laser jest przykładany do powierzchni materiału w impulsach femtosekundowych, laser może generować średnią moc do rzędu kilowatów, przy szerokości impulsu rzędu kilkuset femtosekund (fs). Przy częstotliwościach powtarzania rzędu 1 kHz do 100 MHz energia impulsu może obejmować rząd wielkości od milidżuli (mJ) do nanodżuli (nJ), a szczytowa moc impulsu może sięgać rzędu GW do TW ogrom.
Ta kombinacja wysokiej energii impulsu, wysokiej szczytowej mocy impulsu i wysokiej częstotliwości powtarzania impulsów pozwala na wydajne przetwarzanie struktur mechanicznych, które są znacznie drobniejsze niż lasery ciągłe lub o długich impulsach.
Energia przetwarzania ultrakrótkich impulsów jest wtryskiwana niezwykle szybko do małego obszaru działania, a natychmiastowe osadzanie o wysokiej gęstości energii powoduje zmianę sposobu pochłaniania i poruszania się elektronów, unikając skutków liniowej absorpcji laserowej, transferu energii i dyfuzji oraz zasadniczo zmieniając mechanizm oddziaływania lasera z materią. Podobnie jak w przypadku uogólnionej obróbki laserowej, która jest bezkontaktowa, zastosowanie laserów o ultrakrótkich impulsach oferuje wyjątkowe korzyści w mikroobróbce, w tym zwiększoną dokładność wymiarową i ściślejsze tolerancje, mniejsze uszkodzenia i eliminację kolejnych etapów obróbki.
Ta czarna technologia ma znaczące zastosowania w ultrakrótkich laserach impulsowych w wielu dziedzinach, takich jak badania podstawowe, przetwarzanie przemysłowe i komunikacja optyczna, i jest obecnie intensywnie badana przez duże kraje jako sposób na osiągnięcie postępu technologicznego.
Postęp prac badawczo-rozwojowych w różnych dziedzinach
01. Komunikacja
Niedawno Yu Yao, profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej na Uniwersytecie Stanowym w Arizonie i jej zespół badawczy w Centrum Innowacji Fotoniki Uniwersytetu Stanowego w Arizonie zaprojektowali szybszy, bardziej energooszczędny element laserowy w nanoskali, zwany hybrydowym, nasycalnym absorberem grafenowo-plazmowym lub GPSMA. w skrócie.GPSMA mają potencjalne zastosowania w branżach takich jak komunikacja, przetwarzanie informacji, spektroskopia i biomedycyna. Pochłaniacz można wykorzystać do poprawy szybkości, wydajności i ogólnej wydajności w celu usprawnienia transmisji danych, przetwarzania informacji, wykrywania biomedycznego i technologii obrazowania.
Ze względu na korzystne właściwości modulacji optycznej i absorpcji nasycającej się, zespół Yu Yao włączył syntetycznie opracowaną hybrydę metal-grafen do swojego procesu rozwojowego.
Projektując układ anten optycznych, który skupia światło w nanoskalowych szczelinach materiału, zwanych gorącymi punktami, w celu promowania absorpcji, oraz skupiając światło lasera na tych gorących punktach, zaobserwowali lepszą wydajność i mniejsze zużycie energii. Ich nowa technika otworzy nowe możliwości dla spektroskopii laserowej w podczerwieni i szybkiej komunikacji sygnałów optycznych (kable światłowodowe i łączność satelitarna).
02. Wojskowy
Broń laserowa brzmi jak aplikacja z gatunku science-fiction. Obecnie w Stanach Zjednoczonych pojawił się laser o ultrakrótkich impulsach i wiele osób zwraca uwagę na tę broń, która wytwarza impulsy światła o czasie krótszym niż jedna nanosekunda. w tym trybie obliczeń, który jest znany jako ultrakrótko pulsacyjna broń laserowa. Poinformowano, że impulsy światła wytwarzane przez tę broń są krótsze niż nanosekunda, dzięki temu trybowi obliczeń patrz w dół, nazywa się to bronią laserową o ultrakrótkim impulsie, również naprawdę w nieoczekiwanym zakresie. Zwiększenie mocy 1 milion razy, taka korzystna prezentacja stwarza więcej możliwości, w późniejszym procesie rozwoju i wykorzystania wydajność będzie coraz bardziej oczywista.
03. Badania i rozwój
Zespół badawczy z High Power Fiber Laser Technology Laboratory, Szanghajskiego Instytutu Optyki i Maszyn Precyzyjnych Chińskiej Akademii Nauk, zaproponował nieliniową technikę modulacji wzmocnienia optycznego, która może przekształcić ciągły laser o pojedynczej częstotliwości w wysoce spójne impulsy femtosekundowe. Metoda ta jest zupełnie nowym środkiem technicznym do uzyskiwania ultraszybkich impulsów o elastycznej długości fali.
Xi'an Institute of Optical Machinery Centrum Badań nad Systemami i Zastosowaniami Produkcji Fotonicznej kontynuuje badania nad technologią wzmacniania ultrakrótkich impulsów laserowych o dużej mocy i dużej energii, zespół badawczy wykorzystał specjalną kaskadę włókna szklanego hybrydową technologię wzmocnienia pojedynczego kryształu, aby osiągnąć 100 Kilohercowe wzmocnienie ultrakrótkiego impulsu częstotliwościowego o mocy wyjściowej prawie milidżuli, maksymalna wzmocniona moc wyjściowa 92,9 watów, odpowiadająca energii pojedynczego impulsu do 929 mikrodżuli, przez szerokopasmowy gradient temperatury oparty na gradiencie szerokopasmowym, duża dyspersja ćwierkająca siatka światłowodowa i wysoka dyfrakcja wydajność kraty do sprężarki precyzyjne dopasowanie dyspersji, środkowa długość fali 1030 nm, szerokość widmowa tylko 2,4 nm, kompresja ultrakrótkiego impulsu do 335 femtosekund (dopasowanie Lorentza transformaty Fouriera, graniczna szerokość impulsu 325 femtosekund), skompresowana energia impulsu wyjściowego do 800 mikrodżuli, co odpowiada mocy szczytowej ponad 2,38 gigawata. Energia impulsu wyjściowego wynosi 800 mikrodżuli, co odpowiada mocy szczytowej ponad 2,38 GW, co jest największą mocą szczytową ultrakrótkiego impulsu wyjściowego uzyskanego w oparciu o światłowód monokrystaliczny przy częstotliwości powtarzania 100 kiloherców, a jakość testowana jest wyjściowa wiązka laserowa, a współczynnik jakości wiązki (M²) jest lepszy niż 1,3.
Ta praca badawcza była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin w ramach głównego tematu projektu, Western Young Scholars Program of the Chinese Academy of Sciences (CAS), Specjalny projekt integracji dwóch łańcuchów w prowincji Shaanxi, Specjalny projekt Hongguang w Chińska Akademia Nauk (CAS) oraz Nowa Gwiazda Nauki i Technologii prowincji Shaanxi. Wyniki badań mogą zapewnić nowe i wydajne środki technologii źródeł światła do badań naukowych i technologicznych, ultraszybkiej obróbki laserowej i innych dziedzin. Przetłumaczone za pomocą www.DeepL.com/Translator (darmowa wersja)
