Lasere er ved at blive en integreret del af utallige enheder og industrier. Når en laserstråle interagerer med overfladen af et materiale i nanoskala, udsender den en bølge af lys kendt som en "plasmon", og egenskaberne af en given plasmon kan formidle information. Ved optisk transmission pumper laseren lys ind i en komponent kaldet en "mættelig absorber" for at producere et optisk signal.
Laserteknologi har også en bred vifte af anvendelser i industriel forarbejdning, såsom præcisionsrensning af komponenter, højeffektskæring og -svejsning, og mikrobearbejdning såsom boring, ridsning, finslibning, polering, skæring, teksturering, stripning og isolering. Inden for industriel fremstilling forsøgte ingeniører at bruge lasere til mikrobearbejdning for længe siden. Men på grund af de lange pulsbredder og den lave laserintensitet af lasere, der får materialet til at smelte og fortsætte med at fordampe, selvom laserstrålen kan fokuseres til en meget lille plet, er den termiske påvirkning af materialet stadig betydelig, hvilket begrænser nøjagtigheden af processen. Den eneste måde at forbedre bearbejdningskvaliteten på er at reducere den termiske påvirkning. Når der kræves en nøjagtighed på en mikron, er ultrakorte pulserende lasere det bedste værktøj til præcisionsrensning, højpræcisionspolering, overfladebehandling og svejsning eller på anden måde modifikation af store mængder materiale.
Ultrakorte pulserende lasere er pulserende lasere, hvis outputlaserpulsbredder er i klassen picosecond (10-12 sekunder) eller mindre end picosecond-klassen. Afhængigt af udgangslaserens pulsbredde kan ultrakorte pulslasere kategoriseres yderligere i picosecond lasere, femtosekund lasere og attosecond lasere. Ultrakorte pulserende lasere øger energien af høje pulser for dramatisk at ændre lys-objekt-responsen. Generelt gælder det, at jo smallere pulsbredden er, desto højere er behandlingsnøjagtigheden.
Når laseren påføres materialet med pulstider i størrelsesordenen picosekunder, ændres behandlingsresultaterne dramatisk. Når pulsenergien stiger dramatisk, er den høje effekttæthed tilstrækkelig til at fjerne det ydre lag af elektroner. På grund af den korte varighed af laser-interaktionen med materialet, ableres ionerne fra overfladen af materialet, før energien overføres til det omgivende materiale, uden termisk effekt på det omgivende materiale, deraf udtrykket "kold behandling".
Når en laser påføres en materialeoverflade i femtosekundpulser, kan laseren udsende en gennemsnitlig effekt på op til størrelsesordenen kilowatt, med impulsbredder i størrelsesordenen nogle få hundrede femtosekunder (fs). Ved gentagelsesfrekvenser i størrelsesordenen 1 kHz til 100 MHz kan pulsenergien spænde over millijoule (mJ) til nano-joule (nJ) størrelsesorden, og spidspulseffekten kan være så høj som GW til TW størrelsesordenen størrelse.
Denne kombination af høj pulsenergi, høj spidspulseffekt og høj pulsgentagelsesfrekvens muliggør effektiv behandling af mekaniske strukturer, der er meget finere end kontinuerlige eller lange pulserende lasere.
Ultrakort pulsbehandlingsenergi injiceres ekstremt hurtigt i et lille aktionsområde, og øjeblikkelig aflejring af høj energitæthed forårsager en ændring i den måde, elektroner absorberes og bevæger sig, og undgår virkningerne af lineær laserabsorption, energioverførsel og diffusion og fundamentalt ændrede mekanismen for interaktion mellem laser og stof. Som med generaliseret laserbehandling, som er kontaktløs, giver brugen af ultrakorte pulserende lasere unikke fordele inden for mikrobearbejdning, herunder øget dimensionsnøjagtighed og snævrere tolerancer, reduceret skade og fjernelse af efterfølgende behandlingstrin.
Denne sorte teknologi har betydelige anvendelser til ultrakorte pulserende lasere inden for en lang række områder, såsom grundforskning, industriel behandling og optisk kommunikation, og forskes i øjeblikket intensivt af store lande som en måde at realisere teknologiske fremskridt på.
F&U-fremskridt på forskellige områder
01. Kommunikation
For nylig designede Yu Yao, lektor i elektroteknik ved Arizona State University, og hendes forskerhold ved Arizona State University Photonics Innovation Center et hurtigere, mere energieffektivt laserelement i nanoskala kaldet en grafen-plasma hybrid metastruktureret mættet absorber eller GPSMA kort sagt. GPSMA'er har potentielle anvendelser i industrier som kommunikation, informationsbehandling, spektroskopi og biomedicin. Absorberen kan bruges til at forbedre hastigheden, effektiviteten og den samlede ydeevne for at fremme datatransmission, informationsbehandling, biomedicinsk sensing og billeddannelsesteknologier.
På grund af dets gavnlige egenskaber inden for optisk modulering og mættende absorption, inkorporerede Yu Yaos team en syntetisk fremstillet metal-grafen-hybrid i deres udviklingsproces.
Ved at designe et optisk antennearray, der fokuserer lys i materialets nanoskala-gab, kendt som hot spots, for at fremme absorption, og ved at fokusere laserlys på disse hot spots, observerede de forbedret ydeevne og reduceret energiforbrug. Deres nye teknik vil åbne op for nye muligheder for infrarød laserspektroskopi og højhastigheds optisk signalkommunikation (fiberoptiske kabler og satellitkommunikation).
02. Militær
Et laservåben lyder som et meget sci-fi-program. I dag har USA nu fremkomsten af en ultrakort pulseret laser, og mange mennesker har været opmærksomme på dette våben, som producerer lysimpulser, der alle er mindre end et nanosekund, og det forventes virkelig, når man ser ved denne beregningsmåde er det kendt som Ultra-Short Pulsed Light Laser Weapon. Det er rapporteret, at lysimpulserne produceret af dette våben er mindre end et nanosekund, gennem denne beregningsmetode se ned, det kaldes ultra-kort puls lys laser våben, også virkelig i det uventede område. Effektforbedringen på 1 million gange, en sådan fordelagtig præsentation skaber flere muligheder, i den efterfølgende udviklings- og udnyttelsesproces vil ydelsen blive mere og mere tydelig.
03. Forskning og udvikling
Forskerholdet fra High Power Fiber Laser Technology Laboratory, Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery, Chinese Academy of Sciences, har foreslået en ikke-lineær optisk forstærkningsmodulationsteknik, der kan konvertere en enkeltfrekvent kontinuerlig laser til meget kohærente femtosekundpulser. Metoden er et helt nyt teknisk middel til at opnå bølgelængdefleksible ultrahurtige pulser.
Xi'an Institute of Optical Machinery Photonic Manufacturing Systems and Applications Research Center fortsætter med at forske i højeffekt og stor energi ultrakort laserpulsforstærkningsteknologiforskning, forskerholdet brugte en speciel glasfiberkaskade enkeltkrystalfiberhybridforstærkningsteknologi for at opnå de 100 kilohertz re-frekvens ultrakort pulsforstærkning på næsten millijoule energiudgang, den maksimale forstærkede udgangseffekt på 92,9 watt, svarende til energien af en enkelt puls op til 929 mikrojoule, den gennem temperaturgradientbaserede bredbånds-stor dispersion kvidrede fibergitter og høj diffraktion effektivitetsgitter til kompressorens præcision dispersion matchning, centerbølgelængden på 1030 nm, spektral bredde på kun 2,4 nm af den ultrakorte puls kompression til 335 femtosekunder (Lorentz fitting Fourier transform grænse pulsbredde på 325 femtosekunder op til 0, puls 0 energipresset til puls) microJoule, svarende til spidseffekten på mere end 2,38 gigawatt. Udgangspulsenergien er 800 mikroJoule, svarende til en spidseffekt på mere end 2,38 GW, hvilket er den største spidseffekt af ultrakort pulsoutput opnået baseret på en enkeltkrystalfiber med en gentagelsesfrekvens på 100 kilohertz, og kvaliteten af output laserstråle testes, og strålekvalitetsfaktoren (M²) er bedre end 1,3.
Dette forskningsarbejde er blevet støttet af National Natural Science Foundation of China under det store projektemne, Western Young Scholars Program for Chinese Academy of Sciences (CAS), Two Chain Integration Special Project of Shaanxi Province, Hongguang Special Project of det kinesiske videnskabsakademi (CAS) og den nye stjerne for videnskab og teknologi i Shaanxi-provinsen. Forskningsresultaterne kan give nye og effektive lyskildeteknologiske midler til videnskabelig og teknologisk forskning, ultrahurtig laserbehandling og andre områder. Oversat med www.DeepL.com/Translator (gratis version)
