Laser werden zu einem integralen Bestandteil unzähliger Geräte und Branchen. Wenn ein Laserstrahl mit der Oberfläche eines nanoskaligen Materials interagiert, sendet er eine Lichtwelle aus, die als „Plasmon“ bekannt ist, und die Eigenschaften eines bestimmten Plasmons können Informationen übermitteln. Bei der optischen Übertragung pumpt der Laser Licht in eine Komponente, die als „sättigbarer Absorber“ bezeichnet wird, um ein optisches Signal zu erzeugen.
Auch in der industriellen Bearbeitung findet die Lasertechnologie vielfältige Einsatzmöglichkeiten, etwa beim Präzisionsreinigen von Bauteilen, beim Hochleistungsschneiden und -schweißen sowie bei der Mikrobearbeitung wie Bohren, Ritzen, Feinschleifen, Polieren, Schneiden, Strukturieren, Abisolieren und Isolieren. Im Bereich der industriellen Fertigung haben Ingenieure schon vor langer Zeit versucht, Laser für die Mikrobearbeitung einzusetzen. Aufgrund der langen Pulsbreiten und der geringen Laserintensität von Lasern, die dazu führen, dass das Material schmilzt und weiter verdampft, kann der Laserstrahl zwar auf einen sehr kleinen Punkt fokussiert werden, der thermische Einfluss auf das Material ist jedoch immer noch erheblich, was die Genauigkeit einschränkt des Prozesses. Die einzige Möglichkeit, die Bearbeitungsqualität zu verbessern, besteht darin, die thermische Belastung zu reduzieren. Wenn eine Genauigkeit von einem Mikrometer erforderlich ist, sind Ultrakurzpulslaser das beste Werkzeug für Präzisionsreinigung, hochpräzises Polieren, Oberflächenerneuerung und Schweißen oder andere Modifizierungen großer Materialmengen.
Ultrakurzpulslaser sind gepulste Laser, deren Ausgangslaserpulsbreiten in der Pikosekundenklasse (10-12 Sekunden) oder weniger als der Pikosekundenklasse liegen. Abhängig von der Pulsbreite des Ausgangslasers können Ultrakurzpulslaser weiter in Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser und Attosekundenlaser eingeteilt werden. Ultrakurzpulslaser erhöhen die Energie hoher Pulse, um die Reaktion des Lichtobjekts dramatisch zu verändern. Generell gilt: Je schmaler die Impulsbreite, desto höher die Verarbeitungsgenauigkeit.
Wenn der Laser mit Pulszeiten in der Größenordnung von Pikosekunden auf das Material einwirkt, verändern sich die Bearbeitungsergebnisse dramatisch. Da die Pulsenergie dramatisch ansteigt, reicht die hohe Leistungsdichte aus, um die äußere Schicht von Elektronen zu befreien. Aufgrund der kurzen Dauer der Laserinteraktion mit dem Material werden die Ionen von der Oberfläche des Materials abgetragen, bevor die Energie auf das umgebende Material übertragen wird, ohne dass es zu einer thermischen Auswirkung auf das umgebende Material kommt, daher der Begriff „Kaltbearbeitung“.
Wenn ein Laser in Femtosekundenpulsen auf eine Materialoberfläche aufgetragen wird, kann der Laser eine durchschnittliche Leistung von bis zu Kilowatt abgeben, mit Pulsbreiten in der Größenordnung von einigen hundert Femtosekunden (fs). Bei Wiederholungsfrequenzen in der Größenordnung von 1 kHz bis 100 MHz kann die Impulsenergie die Größenordnung von Millijoule (mJ) bis Nanojoule (nJ) umfassen, und die Spitzenimpulsleistung kann bis zur Größenordnung von GW bis TW reichen Größe.
Diese Kombination aus hoher Pulsenergie, hoher Spitzenpulsleistung und hoher Pulswiederholungsfrequenz ermöglicht die effiziente Bearbeitung mechanischer Strukturen, die viel feiner sind als kontinuierliche oder lang gepulste Laser.
Ultrakurze Impulsverarbeitungsenergie wird extrem schnell in einen kleinen Wirkungsbereich injiziert, und die sofortige Abscheidung mit hoher Energiedichte bewirkt eine Änderung in der Art und Weise, wie Elektronen absorbiert und bewegt werden, wodurch die Auswirkungen der linearen Laserabsorption, Energieübertragung und -diffusion vermieden werden und sich grundlegend verändert der Mechanismus der Laser-Materie-Wechselwirkung. Wie bei der allgemeinen Laserbearbeitung, die kontaktlos erfolgt, bietet der Einsatz ultrakurzgepulster Laser einzigartige Vorteile bei der Mikrobearbeitung, darunter eine verbesserte Maßgenauigkeit und engere Toleranzen, weniger Schäden und der Wegfall nachfolgender Bearbeitungsschritte.
Diese schwarze Technologie bietet bedeutende Anwendungen für ultrakurz gepulste Laser in einer Vielzahl von Bereichen wie Grundlagenforschung, industrielle Verarbeitung und optische Kommunikation und wird derzeit von großen Ländern intensiv erforscht, um technologische Fortschritte zu erzielen.
F&E-Fortschritte in verschiedenen Bereichen
01. Kommunikation
Kürzlich haben Yu Yao, außerordentliche Professorin für Elektrotechnik an der Arizona State University, und ihr Forschungsteam am Photonics Innovation Center der Arizona State University ein schnelleres, energieeffizienteres Laserelement im Nanomaßstab entwickelt, das als Graphen-Plasma-Hybrid-metastrukturierter sättigbarer Absorber oder GPSMA bezeichnet wird Kurz gesagt: GPSMAs haben potenzielle Anwendungen in Branchen wie Kommunikation, Informationsverarbeitung, Spektroskopie und Biomedizin. Der Absorber kann zur Verbesserung von Geschwindigkeit, Effizienz und Gesamtleistung eingesetzt werden, um die Datenübertragung, Informationsverarbeitung, biomedizinische Sensorik und Bildgebungstechnologien voranzutreiben.
Aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften bei der optischen Modulation und der sättigbaren Absorption hat Yu Yaos Team einen synthetisch hergestellten Metall-Graphen-Hybrid in seinen Entwicklungsprozess integriert.
Durch die Entwicklung eines optischen Antennenarrays, das Licht in die nanoskaligen Lücken des Materials, sogenannte Hotspots, fokussiert, um die Absorption zu fördern, und durch die Fokussierung von Laserlicht auf diese Hotspots beobachteten sie eine verbesserte Leistung und einen geringeren Energieverbrauch. Ihre neue Technik wird neue Möglichkeiten für die Infrarot-Laserspektroskopie und die schnelle optische Signalkommunikation (Glasfaserkabel und Satellitenkommunikation) eröffnen.
02. Militär
Eine Laserwaffe klingt nach einer sehr Science-Fiction-Anwendung. Heute ist in den Vereinigten Staaten ein ultrakurzgepulster Laser auf dem Vormarsch, und viele Menschen widmen dieser Waffe anhaltende Aufmerksamkeit, die Lichtimpulse erzeugt, die alle weniger als eine Nanosekunde lang sind, und das ist wirklich zu erwarten, wenn man hinschaut Durch diese Berechnungsweise wird es als Ultrakurzpulslicht-Laserwaffe bezeichnet. Es wird berichtet, dass die von dieser Waffe erzeugten Lichtimpulse weniger als eine Nanosekunde betragen. Aufgrund dieser Berechnungsmethode wird sie als Ultrakurzpuls-Lichtlaserwaffe bezeichnet und liegt ebenfalls in einer unerwarteten Reichweite. Durch die 1-Millionen-fache Leistungssteigerung schafft eine so vorteilhafte Darstellung mehr Möglichkeiten, im nachfolgenden Entwicklungs- und Nutzungsprozess wird die Leistung immer offensichtlicher.
03. Forschung und Entwicklung
Das Forschungsteam des High Power Fiber Laser Technology Laboratory des Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat eine nichtlineare optische Verstärkungsmodulationstechnik vorgeschlagen, die einen Einzelfrequenz-Dauerlaser in hochkohärente Femtosekundenpulse umwandeln kann. Die Methode ist ein völlig neues technisches Mittel, um wellenlängenflexible ultraschnelle Pulse zu erhalten.
Das Xi'an Institute of Optical Machinery Photonic Manufacturing Systems and Applications Research Center forscht weiterhin in der Forschung zur Verstärkungstechnologie für ultrakurze Laserpulse mit hoher Leistung und großer Energie. Das Forschungsteam verwendete eine spezielle Glasfaser-Kaskaden-Einkristallfaser-Hybrid-Verstärkungstechnologie, um die 100 zu erreichen Kilohertz-Neufrequenz-Ultrakurzpulsverstärkung mit einer Energieabgabe von nahezu Millijoule, die maximale verstärkte Ausgangsleistung von 92,9 Watt, entsprechend der Energie eines einzelnen Pulses bis zu 929 Mikrojoule, das durch das Temperaturgefälle basierte Breitband-Chirped-Fasergitter mit großer Dispersion und hoher Beugung Effizienzgitter an den Kompressor mit präziser Dispersionsanpassung, mittlere Wellenlänge von 1030 nm, Spektralbreite von nur 2,4 nm, Kompression ultrakurzer Impulse auf 335 Femtosekunden (Lorentz-Anpassung, Fourier-Transformationsgrenzimpulsbreite von 325 Femtosekunden), komprimierte Ausgangsimpulsenergie bis zu 800 microJoule, was einer Spitzenleistung von mehr als 2,38 Gigawatt entspricht. Die Ausgangsimpulsenergie beträgt 800 Mikrojoule, was einer Spitzenleistung von mehr als 2,38 GW entspricht. Dies ist die größte Spitzenleistung eines ultrakurzen Impulsausgangs, der auf der Grundlage einer Einkristallfaser bei einer Wiederholfrequenz von 100 Kilohertz erzielt wird, und die Qualität der Der Ausgangslaserstrahl wurde getestet und der Strahlqualitätsfaktor (M²) ist besser als 1,3.
Diese Forschungsarbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China im Rahmen des Hauptprojektthemas, dem Western Young Scholars Program der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), dem Two Chain Integration Special Project der Provinz Shaanxi und dem Hongguang Special Project von unterstützt die Chinesische Akademie der Wissenschaften (CAS) und der New Star of Science and Technology der Provinz Shaanxi. Die Forschungsergebnisse können neue und effiziente Mittel zur Lichtquellentechnologie für die wissenschaftliche und technologische Forschung, die ultraschnelle Laserbearbeitung und andere Bereiche bereitstellen. Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)
