Лазеры становятся неотъемлемой частью бесчисленных устройств и отраслей. Когда лазерный луч взаимодействует с поверхностью наноразмерного материала, он испускает световую волну, известную как «плазмон», и свойства данного плазмона могут передавать информацию. При оптической передаче лазер накачивает свет в компонент, называемый «насыщающимся поглотителем», для создания оптического сигнала.
Лазерная технология также находит широкое применение в промышленной обработке, такой как прецизионная очистка компонентов, высокопроизводительная резка и сварка, а также в микрообработке, такой как сверление, разметка, тонкая шлифовка, полировка, резка, текстурирование, зачистка и изоляция. В области промышленного производства инженеры уже давно пытались использовать лазеры для микрообработки. Однако из-за большой длительности импульса и низкой интенсивности лазеров, вызывающих плавление материала и дальнейшее его испарение, хотя лазерный луч можно сфокусировать в очень маленькое пятно, тепловое воздействие на материал по-прежнему остается значительным, что ограничивает точность. процесса. Единственный способ улучшить качество обработки — уменьшить термическое воздействие. Когда требуется точность в один микрон, ультракороткие импульсные лазеры являются лучшим инструментом для прецизионной очистки, высокоточной полировки, восстановления поверхности и сварки или иной модификации больших объемов материала.
Ультракороткие импульсные лазеры — это импульсные лазеры, ширина выходного лазерного импульса которых относится к классу пикосекунд (10-12 секунд) или меньше класса пикосекунд. В зависимости от ширины импульса выходного лазера лазеры ультракоротких импульсов можно разделить на пикосекундные лазеры, фемтосекундные лазеры и аттосекундные лазеры. Ультракороткие импульсные лазеры увеличивают энергию высоких импульсов, чтобы резко изменить реакцию светового объекта. Как правило, чем уже ширина импульса, тем выше точность обработки.
При воздействии лазера на материал с длительностью импульса порядка пикосекунд результаты обработки резко меняются. Поскольку энергия импульса резко возрастает, высокой плотности мощности достаточно, чтобы лишить внешний слой электронов. Из-за короткой продолжительности лазерного взаимодействия с материалом ионы удаляются с поверхности материала до того, как энергия будет передана окружающему материалу, без теплового воздействия на окружающий материал, отсюда и термин «холодная обработка».
Когда лазер воздействует на поверхность материала фемтосекундными импульсами, лазер может выдавать среднюю мощность порядка киловатт с шириной импульса порядка нескольких сотен фемтосекунд (фс). При частотах повторения порядка от 1 кГц до 100 МГц энергия импульса может варьироваться от миллиджоуля (мДж) до наноджоуля (нДж), а пиковая мощность импульса может достигать порядка от ГВт до ТВТ. величина.
Эта комбинация высокой энергии импульса, высокой пиковой мощности импульса и высокой частоты повторения импульсов позволяет эффективно обрабатывать механические структуры, которые намного тоньше, чем непрерывные или длинноимпульсные лазеры.
Энергия обработки сверхкоротких импульсов чрезвычайно быстро вводится в небольшую область действия, а мгновенное выделение высокой плотности энергии вызывает изменение способа поглощения и движения электронов, избегая эффектов линейного лазерного поглощения, передачи энергии и диффузии, и коренным образом меняя механизм взаимодействия лазера с веществом. Как и в случае с общей лазерной обработкой, которая является бесконтактной, использование ультракоротких импульсных лазеров предлагает уникальные преимущества в микрообработке, включая повышенную точность размеров и более жесткие допуски, уменьшение повреждений и устранение последующих этапов обработки.
Эта черная технология находит широкое применение для ультракоротких импульсных лазеров в широком диапазоне областей, таких как фундаментальные исследования, промышленная обработка и оптическая связь, и в настоящее время интенсивно исследуется крупными странами как способ реализации технологических достижений.
Прогресс НИОКР в различных областях
01. Связь
Недавно Ю Яо, адъюнкт-профессор электротехники в Университете штата Аризона, и ее исследовательская группа в Инновационном центре фотоники Университета штата Аризона разработали более быстрый и энергоэффективный наноразмерный лазерный элемент, названный графен-плазменным гибридным метаструктурированным насыщающимся поглотителем, или GPSMA. для краткости. GPSMA имеют потенциальные применения в таких отраслях, как связь, обработка информации, спектроскопия и биомедицина. Поглотитель можно использовать для повышения скорости, эффективности и общей производительности для улучшения технологий передачи данных, обработки информации, биомедицинского зондирования и визуализации.
Благодаря его полезным свойствам в области оптической модуляции и насыщающегося поглощения команда Ю Яо включила в свой процесс разработки синтетически разработанный гибрид металла и графена.
Разработав оптическую антенную решетку, которая фокусирует свет в наноразмерных промежутках материала, известных как горячие точки, для улучшения поглощения, и фокусируя лазерный свет на этих горячих точках, они добились улучшения производительности и снижения энергопотребления. Их новая методика откроет новые возможности для инфракрасной лазерной спектроскопии и высокоскоростной передачи оптических сигналов (оптоволоконные кабели и спутниковая связь).
02. Военный
Лазерное оружие звучит как научно-фантастическое приложение. Сегодня в Соединенных Штатах появилось сверхкороткоимпульсный лазер, и многие люди постоянно обращают внимание на это оружие, производящее световые импульсы длительностью менее одной наносекунды, и это действительно ожидаемо, если посмотреть в этом режиме расчета, который известен как лазерное оружие с ультракоротким импульсным светом. Сообщается, что импульсы света, производимые этим оружием, составляют менее наносекунды, в этом режиме расчета смотрите вниз, это называется ультракоротким импульсным световым лазерным оружием, также действительно в неожиданном диапазоне. Повышение мощности в 1 миллион раз, такая выгодная презентация создает больше возможностей, в последующем процессе разработки и использования производительность будет все более и более очевидной.
03. Исследования и разработки
Исследовательская группа Лаборатории высокомощных волоконных лазерных технологий Шанхайского института оптики и точного машиностроения Китайской академии наук предложила метод нелинейной модуляции оптического усиления, который может преобразовывать одночастотный непрерывный лазер в высококогерентные фемтосекундные импульсы. Метод является принципиально новым техническим средством получения сверхбыстрых импульсов с гибкой длиной волны.
Сианьский институт оптического машиностроения Фотонные производственные системы и исследовательский центр приложений продолжает исследования в области исследования технологии усиления сверхкоротких лазерных импульсов высокой мощности и большой энергии, исследовательская группа использовала специальную технологию гибридного усиления стекловолоконного каскада на монокристаллическом волокне, чтобы достичь 100 килогерц перечастотный сверхкороткий импульс усиление выходной энергии почти миллиджоуля, максимальная усиленная выходная мощность 92,9 Вт, что соответствует энергии одиночного импульса до 929 микроджоулей, широкополосная чирпированная волоконная решетка на основе градиента температуры с большой дисперсией и высокой дифракцией решетка эффективности компрессора, прецизионное согласование дисперсии, центральная длина волны 1030 нм, ширина спектра всего 2,4 нм, сжатие сверхкоротких импульсов до 335 фемтосекунд (подгонка Лоренца по Фурье, предельная ширина импульса 325 фемтосекунд), энергия сжатого выходного импульса до 800 микроджоулей, что соответствует пиковой мощности более 2,38 гигаватт. Энергия выходного импульса составляет 800 мкДж, что соответствует пиковой мощности более 2,38 ГВт, что является наибольшей пиковой мощностью сверхкоротких импульсов на выходе, полученной на основе монокристаллического световода при частоте повторения 100 кГц, а качество Выходной лазерный луч протестирован, и коэффициент качества луча (M²) лучше 1,3.
Эта исследовательская работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая в рамках основной темы проекта, Программы западных молодых ученых Китайской академии наук (CAS), Специального проекта интеграции двух цепей провинции Шэньси, Специального проекта Хунгуан Китайская академия наук (CAS) и Новая звезда науки и техники провинции Шэньси. Результаты исследований могут предоставить новые и эффективные средства технологии источников света для научных и технологических исследований, сверхбыстрой лазерной обработки и других областей. Переведено с www.DeepL.com/Translator (бесплатная версия)
