Laserele devin o parte integrantă a nenumăratelor dispozitive și industrii. Când un fascicul laser interacționează cu suprafața unui material la scară nanometrică, emite o undă de lumină cunoscută sub numele de „plasmon”, iar proprietățile unui plasmon dat pot transmite informații. În transmisia optică, laserul pompează lumină într-o componentă numită „absorbant saturabil” pentru a produce un semnal optic.
Tehnologia laser are, de asemenea, o gamă largă de utilizări în procesarea industrială, cum ar fi curățarea de precizie a componentelor, tăierea și sudarea de mare putere, precum și microprelucrarea, cum ar fi găurirea, înțeparea, șlefuirea fină, lustruirea, tăierea, texturarea, decaparea și izolarea. În domeniul producției industriale, inginerii au încercat să utilizeze lasere pentru microprelucrare cu mult timp în urmă. Cu toate acestea, din cauza lățimii lungi de impuls și a intensității reduse a laserului laser, care determină topirea materialului și evaporarea continuă, deși fasciculul laser poate fi focalizat într-un loc foarte mic, impactul termic asupra materialului este încă semnificativ, limitând precizia. a procesului. Singura modalitate de a îmbunătăți calitatea prelucrării este reducerea impactului termic. Atunci când este necesară o precizie de un micron, laserele cu impulsuri ultrascurte sunt cel mai bun instrument pentru curățarea de precizie, lustruirea de înaltă precizie, refacerea suprafeței și sudarea sau modificarea în alt mod a unor cantități mari de material.
Laserele cu impulsuri ultrascurte sunt lasere cu impulsuri ale căror lățimi ale impulsurilor laser de ieșire sunt în clasa picosecunde (10-12 secunde) sau mai puțin decât clasa picosecunde. În funcție de lățimea impulsului laserului de ieșire, laserele cu impuls ultrascurt pot fi clasificate în continuare în lasere picosecunde, lasere femtosecunde și lasere attosecunde. Laserele cu impulsuri ultrascurte măresc energia impulsurilor înalte pentru a schimba dramatic răspunsul obiectului de lumină. În general, cu cât este mai îngustă lățimea impulsului, cu atât este mai mare acuratețea procesării.
Când laserul este aplicat pe material cu timpi de puls de ordinul picosecundelor, rezultatele procesării se schimbă dramatic. Pe măsură ce energia pulsului crește dramatic, densitatea mare de putere este suficientă pentru a îndepărta stratul exterior de electroni. Datorită duratei scurte a interacțiunii laser cu materialul, ionii sunt ablați de pe suprafața materialului înainte ca energia să fie transferată către materialul înconjurător, fără efect termic asupra materialului din jur, de unde și termenul „prelucrare la rece”.
Când un laser este aplicat pe o suprafață a materialului în impulsuri de femtosecunde, laserul poate scoate o putere medie de până la ordinul kilowați, cu lățimi ale impulsurilor de ordinul a câteva sute de femtosecunde (fs). La frecvențe de repetiție de ordinul de la 1 kHz la 100 MHz, energia pulsului se poate întinde de la ordinul de mărime de la milijoule (mJ) la nanojoule (nJ), iar puterea de vârf a impulsului poate fi la fel de mare ca ordinul GW la TW. magnitudinea.
Această combinație de energie înaltă a impulsului, putere de vârf ridicată a impulsului și frecvență mare de repetare a impulsurilor permite procesarea eficientă a structurilor mecanice care sunt mult mai fine decât laserele cu impulsuri continue sau lungi.
Energia de procesare a impulsurilor ultrascurte este injectată extrem de rapid într-o zonă mică de acțiune, iar depunerea instantanee cu densitate mare de energie provoacă o schimbare a modului în care electronii sunt absorbiți și mișcați, evitând efectele absorbției liniare a laserului, transferului de energie și difuziei și schimbând fundamental. mecanismul interacțiunii laser-materie. Ca și în cazul procesării laser generalizate, care este fără contact, utilizarea laserelor cu impulsuri ultrascurte oferă avantaje unice în microprelucrare, inclusiv precizie dimensională îmbunătățită și toleranțe mai stricte, deteriorare redusă și eliminarea etapelor ulterioare de prelucrare.
Această tehnologie neagră are aplicații semnificative pentru laserele cu impulsuri ultrascurte într-o gamă largă de domenii, cum ar fi cercetarea de bază, procesarea industrială și comunicațiile optice, și este în prezent cercetată intens de țările majore ca o modalitate de a realiza progrese tehnologice.
Progresul cercetării și dezvoltării în diverse domenii
01. Comunicații
Recent, Yu Yao, profesor asociat de inginerie electrică la Universitatea de Stat din Arizona și echipa ei de cercetare de la Centrul de inovare fotonică a Universității de Stat din Arizona au proiectat un element laser la scară nanometrică mai rapid și mai eficient din punct de vedere energetic, numit absorbant saturabil metastructurat hibrid grafen-plasmă sau GPSMA. pe scurt.GPSMA-urile au aplicații potențiale în industrii precum comunicațiile, procesarea informațiilor, spectroscopie și biomedicină. Absorbantul poate fi folosit pentru a îmbunătăți viteza, eficiența și performanța generală pentru a avansa transmisia datelor, procesarea informațiilor, tehnologiile de detectare biomedicală și imagistică.
Datorită proprietăților sale benefice în modularea optică și absorbția saturabilă, echipa lui Yu Yao a încorporat un hibrid metal-grafen proiectat sintetic în procesul lor de dezvoltare.
Prin proiectarea unei rețele de antene optice care concentrează lumina în golurile la scară nanometrică ale materialului, cunoscute sub numele de puncte fierbinți, pentru a promova absorbția și prin focalizarea luminii laser pe aceste puncte fierbinți, ei au observat performanțe îmbunătățite și consum redus de energie. Noua lor tehnică va deschide noi oportunități pentru spectroscopie cu laser în infraroșu și comunicații cu semnal optic de mare viteză (cabluri cu fibră optică și comunicații prin satelit).
02. Militar
O armă laser sună ca o aplicație foarte științifico-fantastică. Astăzi, Statele Unite au apărut acum un laser cu impulsuri ultrascurte și mulți oameni au acordat o atenție susținută acestei arme, care produce impulsuri de lumină care sunt toate mai mici de o nanosecundă și este de așteptat cu adevărat când te uiți. prin acest mod de calcul că este cunoscută sub numele de Armă laser cu lumină ultrascurtă cu puls. Este raportat că impulsurile de lumină produse de această armă sunt mai mici de o nanosecundă, prin acest mod de calcul uitați-vă în jos, se numește armă cu laser cu puls ultrascurt, de asemenea, într-adevăr în intervalul neașteptat. Creșterea puterii de 1 milion de ori, o astfel de prezentare avantajoasă creează mai multe posibilități, în procesul de dezvoltare și utilizare ulterioară, performanța va fi din ce în ce mai evidentă.
03. Cercetare și Dezvoltare
Echipa de cercetare a Laboratorului de Tehnologie Laser cu Fibră de Înaltă Putere, Institutul de Optică și Mașini de Precizie din Shanghai, Academia Chineză de Științe, a propus o tehnică de modulare a câștigului optic neliniar care poate converti un laser continuu cu o singură frecvență în impulsuri femtosecunde extrem de coerente. Metoda este un mijloc tehnic nou pentru a obține impulsuri ultrarapide flexibile la lungimea de undă.
Xi'an Institute of Optical Machinery Photonic Manufacturing Systems and Applications Research Center continuă să cerceteze în cercetarea tehnologiei de amplificare cu impulsuri laser ultrascurt de mare putere și energie mare, echipa de cercetare a folosit o tehnologie specială de amplificare hibridă cu fibră monocristal în cascadă de fibră de sticlă, pentru a atinge 100 Amplificarea impulsului ultrascurt cu frecvență de re-kilohertz a ieșirii de energie de aproape milijoule, puterea maximă de ieșire amplificată de 92,9 wați, corespunzătoare energiei unui singur impuls de până la 929 microjouli, rețeaua de fibre ciripit de mare dispersie în bandă largă bazată pe gradient de temperatură și difracție ridicată Eficiența grătarului de potrivire a dispersiei de precizie a compresorului, lungimea de undă centrală de 1030 nm, lățimea spectrală de numai 2,4 nm a compresiei pulsului ultrascurt la 335 femtosecunde (lorentz fiting Fourier transformă limită lățime a impulsului de 325 femtosecunde), energie comprimată a impulsului de ieșire până la 800 microJoule, care corespunde unei puteri de vârf de peste 2,38 gigawați. Energia impulsului de ieșire este de 800 microjouli, corespunzând unei puteri de vârf de peste 2,38 GW, care este cea mai mare putere de vârf a impulsului ultrascurt, obținută pe baza unei fibre monocristaline la o frecvență de repetiție de 100 kiloherți și a calității fasciculul laser de ieșire este testat, iar factorul de calitate a fasciculului (M²) este mai bun decât 1,3.
Această activitate de cercetare a fost susținută de Fundația Națională de Științe Naturale din China în cadrul subiectului principal al proiectului, Programul Western Young Scholars al Academiei Chineze de Științe (CAS), Proiectul special de integrare a două lanțuri din provincia Shaanxi, Proiectul special Hongguang din Academia Chineză de Științe (CAS) și Noua stea a științei și tehnologiei din provincia Shaanxi. Rezultatele cercetării pot oferi mijloace tehnologice noi și eficiente ale surselor de lumină pentru cercetarea științifică și tehnologică, procesarea laser ultrarapidă și alte domenii. Tradus cu www.DeepL.com/Translator (versiune gratuită)
