Laser menjadi sebahagian daripada peranti dan industri yang tidak terkira banyaknya. Apabila pancaran laser berinteraksi dengan permukaan bahan berskala nano, ia mengeluarkan gelombang cahaya yang dikenali sebagai "plasmon," dan sifat plasmon tertentu boleh menyampaikan maklumat. Dalam penghantaran optik, laser mengepam cahaya ke dalam komponen yang dipanggil "penyerap tepu" untuk menghasilkan isyarat optik.
Teknologi laser juga mempunyai pelbagai kegunaan dalam pemprosesan perindustrian, seperti pembersihan ketepatan komponen, pemotongan dan kimpalan berkuasa tinggi, dan pemesinan mikro seperti penggerudian, pencoretan, pengisaran halus, penggilap, pemotongan, penteksunan, pelucutan dan pengasingan. Dalam bidang pembuatan industri, jurutera cuba menggunakan laser untuk pemesinan mikro sejak dahulu lagi. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh lebar nadi yang panjang dan intensiti laser rendah laser menyebabkan bahan cair dan terus menguap, walaupun pancaran laser boleh difokuskan ke tempat yang sangat kecil, kesan haba pada bahan masih ketara, mengehadkan ketepatan daripada proses tersebut. Satu-satunya cara untuk meningkatkan kualiti pemesinan ialah mengurangkan kesan haba. Apabila ketepatan satu mikron diperlukan, laser berdenyut ultrashort ialah alat terbaik untuk pembersihan ketepatan, penggilapan ketepatan tinggi, penurapan semula permukaan dan kimpalan, atau sebaliknya mengubah suai sejumlah besar bahan.
Laser berdenyut ultra pendek ialah laser berdenyut yang lebar denyut laser keluarannya berada dalam kelas picosecond (10-12 saat) atau kurang daripada kelas picosecond. Bergantung pada lebar nadi laser keluaran, laser nadi ultra pendek boleh dikategorikan lagi kepada laser picosecond, laser femtosecond dan laser attosecond. Laser berdenyut ultrashort meningkatkan tenaga denyutan tinggi untuk mengubah secara mendadak tindak balas objek cahaya. Secara umum, semakin sempit lebar nadi, semakin tinggi ketepatan pemprosesan.
Apabila laser digunakan pada bahan dengan masa nadi mengikut urutan picosaat, hasil pemprosesan berubah secara mendadak. Apabila tenaga nadi meningkat secara mendadak, ketumpatan kuasa tinggi adalah mencukupi untuk menanggalkan lapisan luar elektron. Disebabkan oleh tempoh pendek interaksi laser dengan bahan, ion-ion dihilangkan dari permukaan bahan sebelum tenaga dipindahkan ke bahan sekeliling, tanpa kesan terma pada bahan sekeliling, oleh itu istilah "pemprosesan sejuk".
Apabila laser digunakan pada permukaan bahan dalam denyutan femtosaat, laser boleh mengeluarkan kuasa purata sehingga tertib kilowatt, dengan lebar nadi pada susunan beberapa ratus femtosaat (fs). Pada frekuensi pengulangan pada tertib 1 kHz hingga 100 MHz, tenaga nadi boleh menjangkau susunan magnitud milijoule (mJ) hingga nano-joule (nJ), dan kuasa nadi puncak boleh setinggi tertib GW hingga TW magnitud.
Gabungan tenaga nadi tinggi, kuasa nadi puncak tinggi, dan kekerapan ulangan nadi tinggi membolehkan pemprosesan struktur mekanikal yang cekap yang jauh lebih halus daripada laser berdenyut berterusan atau panjang.
Tenaga pemprosesan nadi ultrashort disuntik dengan sangat cepat ke dalam kawasan tindakan yang kecil, dan pemendapan ketumpatan tenaga tinggi serta-merta menyebabkan perubahan dalam cara elektron diserap dan bergerak, mengelakkan kesan penyerapan laser linear, pemindahan tenaga, dan resapan, dan secara asasnya berubah. mekanisme interaksi bahan laser. Seperti pemprosesan laser umum, yang tanpa sentuhan, penggunaan laser berdenyut ultrashort menawarkan kelebihan unik dalam pemesinan mikro, termasuk ketepatan dimensi yang dipertingkatkan dan toleransi yang lebih ketat, pengurangan kerosakan dan penyingkiran langkah pemprosesan seterusnya.
Teknologi hitam ini mempunyai aplikasi penting untuk laser berdenyut ultrashort dalam pelbagai bidang seperti penyelidikan asas, pemprosesan industri dan komunikasi optik, dan kini sedang dikaji secara intensif oleh negara-negara utama sebagai cara merealisasikan kemajuan teknologi.
Kemajuan R&D dalam Pelbagai Bidang
01. Komunikasi
Baru-baru ini, Yu Yao, Profesor Madya Kejuruteraan Elektrik di Arizona State University, dan pasukan penyelidiknya di Pusat Inovasi Fotonik Universiti Negeri Arizona mereka bentuk elemen laser skala nano yang lebih pantas dan lebih cekap tenaga dipanggil penyerap tepu berstruktur metastruktur hibrid graphene-plasma, atau GPSMA ringkasnya.GPSMA mempunyai aplikasi yang berpotensi dalam industri seperti komunikasi, pemprosesan maklumat, spektroskopi dan bioperubatan. Penyerap boleh digunakan untuk meningkatkan kelajuan, kecekapan dan prestasi keseluruhan untuk memajukan penghantaran data, pemprosesan maklumat, penderiaan bioperubatan dan teknologi pengimejan.
Disebabkan sifat berfaedahnya dalam modulasi optik dan penyerapan boleh tepu, pasukan Yu Yao menggabungkan hibrid logam-grafena yang direka bentuk secara sintetik ke dalam proses pembangunan mereka.
Dengan mereka bentuk susunan antena optik yang memfokuskan cahaya ke dalam celah skala nano bahan, yang dikenali sebagai titik panas, untuk menggalakkan penyerapan, dan dengan memfokuskan cahaya laser pada titik panas ini, mereka melihat prestasi yang lebih baik dan mengurangkan penggunaan tenaga. Teknik baharu mereka akan membuka peluang baharu untuk spektroskopi laser inframerah dan komunikasi isyarat optik berkelajuan tinggi (kabel gentian optik dan komunikasi satelit).
02. Tentera
Senjata laser kelihatan seperti aplikasi sci-fi. Hari ini, Amerika Syarikat kini mempunyai kemunculan laser berdenyut ultra-pendek, dan ramai orang telah memberi perhatian yang berterusan kepada senjata ini, yang menghasilkan denyutan cahaya yang semuanya kurang daripada satu nanosaat, dan ia benar-benar dijangka apabila anda melihat melalui cara pengiraan ini ia dikenali sebagai Senjata Laser Cahaya Berdenyut Ultra-Pendek. Dilaporkan bahawa denyutan cahaya yang dihasilkan oleh senjata ini adalah kurang daripada satu nanosaat, melalui mod pengiraan ini melihat ke bawah, ia dipanggil senjata laser cahaya denyut ultra-pendek, juga benar-benar dalam julat yang tidak dijangka. Peningkatan kuasa sebanyak 1 juta kali, persembahan yang berfaedah itu mewujudkan lebih banyak kemungkinan, dalam proses pembangunan dan penggunaan seterusnya, prestasi akan menjadi lebih jelas.
03. Penyelidikan dan Pembangunan
Pasukan penyelidik Makmal Teknologi Laser Gentian Berkuasa Tinggi, Institut Optik dan Jentera Ketepatan Shanghai, Akademi Sains China, telah mencadangkan teknik modulasi perolehan optik tak linear yang boleh menukar laser berterusan frekuensi tunggal kepada denyutan femtosaat yang sangat koheren. Kaedah ini adalah cara teknikal yang serba baharu untuk mendapatkan denyutan ultrafast fleksibel panjang gelombang.
Pusat Penyelidikan Aplikasi dan Sistem Pembuatan Fotonik Jentera Optik Xi'an terus menyelidik dalam penyelidikan teknologi amplifikasi nadi laser ultrashort tenaga tinggi dan tenaga besar, pasukan penyelidik menggunakan teknologi penguatan hibrid gentian kristal tunggal lata gentian kaca khas, untuk mencapai 100 kilohertz frekuensi semula ultrashort amplifikasi nadi output tenaga hampir milijoule, kuasa output diperkuatkan maksimum 92.9 watt, sepadan dengan tenaga satu nadi sehingga 929 mikrojoule, yang Melalui kecerunan suhu berdasarkan jalur lebar penyebaran besar berkicau gentian parut dan pembelauan tinggi parut kecekapan pada pemadanan serakan ketepatan pemampat, panjang gelombang tengah 1030 nm, lebar spektrum hanya 2.4 nm daripada mampatan nadi ultrashort kepada 335 femtosaat (Lorentz fitting Fourier mengubah had lebar nadi 325 femtosaat), tenaga nadi output dimampatkan sehingga 800 microJoule, sepadan dengan kuasa puncak lebih daripada 2.38 gigawatt. Tenaga nadi keluaran ialah 800 mikroJoules, sepadan dengan kuasa puncak lebih daripada 2.38 GW, iaitu kuasa puncak terbesar keluaran nadi ultrashort yang diperoleh berdasarkan gentian kristal tunggal pada frekuensi pengulangan 100 kilohertz, dan kualiti pancaran laser keluaran diuji, dan faktor kualiti pancaran (M²) adalah lebih baik daripada 1.3.
Kerja penyelidikan ini telah disokong oleh Yayasan Sains Semula Jadi Kebangsaan China di bawah topik projek utama, Program Sarjana Muda Barat Akademi Sains China (CAS), Projek Khas Integrasi Dua Rantaian Wilayah Shaanxi, Projek Khas Hongguang Akademi Sains China (CAS), dan Bintang Baru Sains dan Teknologi Wilayah Shaanxi. Hasil penyelidikan boleh menyediakan cara teknologi sumber cahaya baharu dan cekap untuk penyelidikan saintifik dan teknologi, pemprosesan laser ultrafast dan bidang lain. Diterjemah dengan www.DeepL.com/Translator (versi percuma)
