Лазерите стават неразделна част от безброй устройства и индустрии. Когато лазерен лъч взаимодейства с повърхността на наномащабен материал, той излъчва вълна от светлина, известна като "плазмон", и свойствата на даден плазмон могат да предадат информация. При оптично предаване лазерът изпомпва светлина в компонент, наречен "насищащ се абсорбатор", за да произведе оптичен сигнал.
Лазерната технология също така има широк спектър от приложения в промишлената обработка, като прецизно почистване на компоненти, високомощно рязане и заваряване и микромашинна обработка като пробиване, начертаване, фино шлайфане, полиране, рязане, текстуриране, отстраняване и изолиране. В областта на промишленото производство инженерите се опитаха да използват лазери за микрообработка преди много време. Въпреки това, поради дългите ширини на импулса и ниския лазерен интензитет на лазерите, които карат материала да се стопи и да продължи да се изпарява, въпреки че лазерният лъч може да бъде фокусиран в много малко петно, топлинното въздействие върху материала все още е значително, ограничавайки точността на процеса. Единственият начин да се подобри качеството на обработка е да се намали топлинното въздействие. Когато се изисква точност от един микрон, ултракъсите импулсни лазери са най-добрият инструмент за прецизно почистване, високо прецизно полиране, повторно напластяване на повърхността и заваряване или по друг начин модифициране на големи количества материал.
Свръхкъсите импулсни лазери са импулсни лазери, чиято ширина на изходния лазерен импулс е в класа на пикосекундите (10-12 секунди) или по-малко от класа на пикосекундите. В зависимост от ширината на импулса на изходния лазер, ултракъсите импулсни лазери могат допълнително да бъдат категоризирани в пикосекундни лазери, фемтосекундни лазери и атосекундни лазери. Ултракъсите импулсни лазери увеличават енергията на високите импулси, за да променят драматично реакцията на светлинния обект. Като цяло, колкото по-тясна е ширината на импулса, толкова по-висока е точността на обработка.
Когато лазерът се прилага върху материала с импулсно време от порядъка на пикосекунди, резултатите от обработката се променят драматично. Тъй като импулсната енергия нараства драстично, високата плътност на мощността е достатъчна, за да премахне външния слой от електрони. Поради кратката продължителност на лазерното взаимодействие с материала, йоните се премахват от повърхността на материала, преди енергията да се прехвърли към околния материал, без термичен ефект върху околния материал, оттук и терминът "студена обработка".
Когато лазер се приложи към материална повърхност във фемтосекундни импулси, лазерът може да изведе средна мощност от порядъка на киловати, с ширина на импулса от порядъка на няколкостотин фемтосекунди (fs). При честоти на повторение от порядъка на 1 kHz до 100 MHz импулсната енергия може да обхване порядъка на милиджаули (mJ) до наноджаули (nJ), а пиковата импулсна мощност може да бъде толкова висока, колкото порядъка на GW до TW величина.
Тази комбинация от висока импулсна енергия, висока пикова импулсна мощност и висока честота на повторение на импулса позволява ефективна обработка на механични структури, които са много по-фини от непрекъснатите или дългите импулсни лазери.
Енергията за обработка на ултракъси импулси се инжектира изключително бързо в малка област на действие и моменталното отлагане с висока енергийна плътност причинява промяна в начина, по който електроните се абсорбират и движат, като се избягват ефектите на линейната лазерна абсорбция, пренос на енергия и дифузия и фундаментално се променя механизмът на взаимодействие лазер-материя. Както при генерализираната лазерна обработка, която е безконтактна, използването на ултракъси импулсни лазери предлага уникални предимства при микрообработката, включително повишена точност на размерите и по-строги толеранси, намалени щети и премахване на последващи стъпки на обработка.
Тази черна технология има значителни приложения за ултракъси импулсни лазери в широк спектър от области като фундаментални изследвания, промишлена обработка и оптични комуникации и в момента се проучва интензивно от големи страни като начин за реализиране на технологичен напредък.
Напредък в научноизследователската и развойна дейност в различни области
01. Комуникации
Наскоро Ю Яо, доцент по електротехника в Държавния университет на Аризона, и нейният изследователски екип в Центъра за иновации на фотониката на Държавния университет на Аризона проектираха по-бърз, по-енергийно ефективен наномащабен лазерен елемент, наречен графен-плазмен хибриден метаструктуриран наситен абсорбер или GPSMA накратко.GPSMA имат потенциални приложения в индустрии като комуникации, обработка на информация, спектроскопия и биомедицина. Абсорберът може да се използва за подобряване на скоростта, ефективността и цялостната производителност за усъвършенстване на предаването на данни, обработката на информация, биомедицинските сензори и технологиите за изображения.
Благодарение на неговите полезни свойства в оптичната модулация и насищащата се абсорбция, екипът на Ю Яо включи синтетично конструиран хибрид метал-графен в своя процес на разработка.
Чрез проектирането на оптична антенна решетка, която фокусира светлината в наномащабните пролуки на материала, известни като горещи точки, за насърчаване на абсорбцията, и чрез фокусиране на лазерна светлина върху тези горещи точки, те наблюдават подобрена производителност и намалена консумация на енергия. Тяхната нова техника ще отвори нови възможности за инфрачервена лазерна спектроскопия и високоскоростни оптични сигнални комуникации (оптични кабели и сателитни комуникации).
02. Военен
Лазерно оръжие звучи като много научнофантастично приложение. Днес Съединените щати вече имат появата на ултра-къс импулсен лазер и много хора обръщат постоянно внимание на това оръжие, което произвежда импулси от светлина, които са по-малко от една наносекунда, и това е наистина очаквано, когато погледнете чрез този начин на изчисление той е известен като лазерно оръжие с ултра-къса импулсна светлина. Съобщава се, че импулсите на светлината, произведени от това оръжие, са по-малко от наносекунда, чрез този режим на изчисление, погледнете надолу, той се нарича ултра-късо импулсно светлинно лазерно оръжие, също наистина в неочакван диапазон. Увеличаването на мощността от 1 милион пъти, такова благоприятно представяне създава повече възможности, в последващия процес на разработка и използване производителността ще бъде все по-очевидна.
03. Научноизследователска и развойна дейност
Изследователският екип на High Power Fiber Laser Technology Laboratory, Шанхайския институт по оптика и прецизни машини, Китайската академия на науките, предложи нелинейна оптична модулационна техника, която може да преобразува едночестотен непрекъснат лазер в силно кохерентни фемтосекундни импулси. Методът е съвсем ново техническо средство за получаване на свръхбързи импулси с гъвкава дължина на вълната.
Xi'an Institute of Optical Machinery Photonic Manufacturing Systems and Applications Research Center продължава да изследва технологиите за усилване на ултракъси лазерни импулси с висока мощност и голяма енергия, изследователският екип използва специална хибридна технология за усилване на монокристални влакна от стъклени влакна, за да постигне 100 килохерцова повторна честота, ултракъсо усилване на импулса от почти милиджаула изходна енергия, максималната усилена изходна мощност от 92,9 вата, съответстваща на енергията на единичен импулс до 929 микроджаула, базираната на температурния градиент широколентова решетка с голяма дисперсия на чирп и висока дифракция ефективна решетка за прецизно съвпадение на дисперсията на компресора, централна дължина на вълната от 1030 nm, спектрална ширина от само 2,4 nm от компресия на ултракъсия импулс до 335 фемтосекунди (лоренцова трансформация на Фурие, лимит на ширина на импулса от 325 фемтосекунди), компресирана изходна импулсна енергия до 800 микроджаул, съответстващ на пикова мощност над 2,38 гигавата. Енергията на изходния импулс е 800 микроджаула, съответстваща на пикова мощност от повече от 2,38 GW, което е най-голямата пикова мощност на ултракъс импулсен изход, получен на базата на монокристално влакно при честота на повторение от 100 килохерца, и качеството на изходният лазерен лъч е тестван и факторът на качеството на лъча (M²) е по-добър от 1,3.
Тази изследователска работа е подкрепена от Националната природонаучна фондация на Китай по основната тема на проекта, Западната програма за млади учени на Китайската академия на науките (CAS), Специалния проект за интеграция на две вериги на провинция Шанси, Специалния проект Hongguang на Китайската академия на науките (CAS) и Новата звезда на науката и технологиите на провинция Шанси. Резултатите от изследването могат да осигурят нови и ефективни технологични средства за източник на светлина за научни и технологични изследвания, свръхбърза лазерна обработка и други области. Преведено с www.DeepL.com/Translator (безплатна версия)
