Lasery se stávají nedílnou součástí bezpočtu zařízení a průmyslových odvětví. Když laserový paprsek interaguje s povrchem materiálu v nanoměřítku, vyzařuje vlnu světla známou jako „plasmon“ a vlastnosti daného plasmonu mohou předávat informace. Při optickém přenosu čerpá laser světlo do součásti zvané „saturovatelný absorbér“, aby vytvořil optický signál.
Laserová technologie má také širokou škálu použití v průmyslovém zpracování, jako je přesné čištění součástí, vysoce výkonné řezání a svařování a mikroobrábění, jako je vrtání, rytí, jemné broušení, leštění, řezání, texturování, odizolování a izolace. V oblasti průmyslové výroby se inženýři pokoušeli využít lasery pro mikroobrábění již dávno. Avšak vzhledem k dlouhým šířkám pulsů a nízké laserové intenzitě laserů, které způsobují tavení materiálu a pokračující odpařování, ačkoli laserový paprsek může být zaostřen do velmi malého bodu, tepelný dopad na materiál je stále významný, což omezuje přesnost procesu. Jediný způsob, jak zlepšit kvalitu obrábění, je snížit tepelný dopad. Pokud je požadována přesnost jednoho mikronu, ultrakrátké pulzní lasery jsou nejlepším nástrojem pro přesné čištění, vysoce přesné leštění, povrchové úpravy a svařování nebo jiné úpravy velkého množství materiálu.
Ultrakrátké pulzní lasery jsou pulzní lasery, jejichž šířky výstupního laserového pulzu jsou ve třídě pikosekund (10-12 sekund) nebo menší než třída pikosekund. Podle šířky pulsu výstupního laseru lze ultrakrátkopulzní lasery dále kategorizovat na pikosekundové lasery, femtosekundové lasery a attosekundové lasery. Ultrakrátké pulzní lasery zvyšují energii vysokých pulzů, aby dramaticky změnily odezvu světelného objektu. Obecně platí, že čím užší je šířka impulsu, tím vyšší je přesnost zpracování.
Když je laser aplikován na materiál s dobou pulzu v řádu pikosekund, výsledky zpracování se dramaticky změní. Jak energie pulzu dramaticky stoupá, vysoká hustota výkonu je dostatečná k tomu, aby se z vnější vrstvy oddělily elektrony. Díky krátkému trvání interakce laseru s materiálem jsou ionty odstraněny z povrchu materiálu předtím, než je energie přenesena do okolního materiálu, bez tepelného účinku na okolní materiál, proto se nazývá „studené zpracování“.
Když je laser aplikován na povrch materiálu ve femtosekundových pulzech, laser může vydávat průměrný výkon až řádově kilowatty, s šířkou pulzu řádově několik stovek femtosekund (fs). Při opakovacích frekvencích v řádu 1 kHz až 100 MHz se může energie pulzu pohybovat v řádu milijoulů (mJ) až nanojoulů (nJ) a špičkový výkon pulzu může být až řádově GW až TW. velikost.
Tato kombinace vysoké pulzní energie, vysokého špičkového pulzního výkonu a vysoké frekvence opakování pulzů umožňuje efektivní zpracování mechanických struktur, které jsou mnohem jemnější než kontinuální nebo dlouhé pulzní lasery.
Energie zpracování ultrakrátkých pulsů je extrémně rychle vstřikována do malé oblasti působení a okamžitá depozice s vysokou hustotou energie způsobuje změnu ve způsobu, jakým jsou elektrony absorbovány a pohybují se, čímž se zabrání účinkům lineární laserové absorpce, přenosu energie a difúze a zásadně se změní. mechanismus interakce laser-hmota. Stejně jako u generalizovaného laserového zpracování, které je bezkontaktní, nabízí použití ultrakrátkých pulzních laserů jedinečné výhody při mikroobrábění, včetně zvýšené rozměrové přesnosti a užších tolerancí, snížení poškození a odstranění následných kroků zpracování.
Tato černá technologie má významné aplikace pro ultrakrátké pulzní lasery v široké škále oborů, jako je základní výzkum, průmyslové zpracování a optické komunikace, a v současné době je intenzivně zkoumána velkými zeměmi jako způsob realizace technologického pokroku.
Pokrok ve výzkumu a vývoji v různých oblastech
01. Komunikace
Nedávno Yu Yao, docentka elektrotechniky na Arizonské státní univerzitě, a její výzkumný tým na Arizonské státní univerzitě Photonics Innovation Center navrhl rychlejší, energeticky účinnější laserový prvek v nanoměřítku zvaný grafen-plazmový hybridní metastrukturovaný saturovatelný absorbér nebo GPSMA. zkráceně. GPSMA mají potenciální aplikace v průmyslových odvětvích, jako jsou komunikace, zpracování informací, spektroskopie a biomedicína. Absorbér lze použít ke zlepšení rychlosti, účinnosti a celkového výkonu, aby se zlepšil přenos dat, zpracování informací, biomedicínské snímání a zobrazovací technologie.
Díky jeho prospěšným vlastnostem v oblasti optické modulace a saturovatelné absorpce začlenil tým Yu Yao do svého vývojového procesu synteticky vytvořený hybrid metal-grafen.
Navrhnutím pole optických antén, které soustředí světlo do mezer v nanoměřítku materiálu, známých jako horká místa, za účelem podpory absorpce, a zaostřením laserového světla na tato horká místa pozorovali zlepšený výkon a sníženou spotřebu energie. Jejich nová technika otevře nové příležitosti pro infračervenou laserovou spektroskopii a vysokorychlostní komunikaci optických signálů (kabely z optických vláken a satelitní komunikace).
02. Vojenská
Laserová zbraň zní jako velmi sci-fi aplikace. Dnes se ve Spojených státech objevil ultrakrátký pulzní laser a mnoho lidí věnuje trvalou pozornost této zbrani, která produkuje pulzy světla, které jsou všechny kratší než jedna nanosekunda, a když se podíváte, je to opravdu očekáváno. Díky tomuto způsobu výpočtu je známá jako ultrakrátká laserová zbraň s pulzním světlem. Uvádí se, že pulsy světla produkované touto zbraní jsou menší než nanosekunda, přes tento způsob výpočtu se dívají dolů, říká se tomu ultrakrátká pulsní laserová zbraň, také opravdu v neočekávaném rozsahu. Milionnásobné zvýšení výkonu, takto výhodná prezentace vytváří více možností, v následném procesu vývoje a využití bude výkon stále zřetelnější.
03. Výzkum a vývoj
Výzkumný tým High Power Fiber Laser Technology Laboratory, Šanghajský institut optiky a přesných strojů, Čínská akademie věd, navrhl nelineární techniku modulace optického zisku, která dokáže převést jednofrekvenční kontinuální laser na vysoce koherentní femtosekundové pulsy. Metoda je zcela novým technickým prostředkem k získání ultrarychlých pulzů flexibilních na vlnové délce.
Výzkumné centrum Xi'an Institute of Optical Machinery Photonic Manufacturing Systems and Applications pokračuje ve výzkumu v oblasti vysoce výkonného a velkého energetického ultrakrátkého laserového pulsního zesilování, výzkumný tým použil speciální technologii kaskádového zesilování s jedním krystalovým vláknem se skleněnými vlákny, aby dosáhl 100 kilohertzové refrekvenční ultrakrátké pulzní zesílení téměř milijoulového energetického výstupu, maximální zesílený výstupní výkon 92,9 wattů, což odpovídá energii jednoho pulzu až 929 mikrojoulů, širokopásmová širokopásmová širokopásmová širokopásmová cvrliká vláknitá mřížka a vysoká difrakce založená na teplotním gradientu účinnost mřížky ke kompresoru přesné disperzní přizpůsobení, střední vlnová délka 1030 nm, spektrální šířka pouze 2,4 nm komprese ultrakrátkého pulsu až 335 femtosekund (Lorentzova fitinka Fourierova transformace limitní šířka pulsu 325 femtosekund), energie stlačeného výstupního pulsu až 800 microJoule, což odpovídá špičkovému výkonu více než 2,38 gigawattu. Výstupní energie pulzu je 800 mikroJoulů, což odpovídá špičkovému výkonu více než 2,38 GW, což je největší špičkový výkon výstupu ultrakrátkých pulzů získaný na základě monokrystalového vlákna při opakovací frekvenci 100 kHz, a kvalitě výstupní laserový paprsek je testován a faktor kvality paprsku (M²) je lepší než 1,3.
Tato výzkumná práce byla podporována Národní nadací přírodních věd Číny v rámci hlavního tématu projektu, programu Western Young Scholars Program Čínské akademie věd (CAS), Zvláštního projektu dvouřetězové integrace provincie Shaanxi, Zvláštního projektu Hongguang Čínská akademie věd (CAS) a Nová hvězda vědy a technologie v provincii Shaanxi. Výsledky výzkumu mohou poskytnout nové a účinné prostředky technologie světelných zdrojů pro vědecký a technologický výzkum, ultrarychlé laserové zpracování a další obory. Přeloženo pomocí www.DeepL.com/Translator (bezplatná verze)
