Los láseres se están convirtiendo en una parte integral de innumerables dispositivos e industrias. Cuando un rayo láser interactúa con la superficie de un material a nanoescala, emite una onda de luz conocida como "plasmón", y las propiedades de un plasmón dado pueden transmitir información. En la transmisión óptica, el láser bombea luz a un componente llamado "absorbedor saturable" para producir una señal óptica.
La tecnología láser también tiene una amplia gama de usos en el procesamiento industrial, como la limpieza de precisión de componentes, el corte y la soldadura de alta potencia y el micromecanizado, como taladrado, trazado, esmerilado fino, pulido, corte, texturizado, pelado y aislamiento. En el campo de la fabricación industrial, los ingenieros intentaron utilizar láseres para el micromecanizado hace mucho tiempo. Sin embargo, debido a los largos anchos de pulso y la baja intensidad del láser de los láseres que hacen que el material se derrita y continúe evaporándose, aunque el rayo láser se puede enfocar en un punto muy pequeño, el impacto térmico en el material sigue siendo significativo, lo que limita la precisión. del proceso La única forma de mejorar la calidad del mecanizado es reducir el impacto térmico. Cuando se requiere una precisión de una micra, los láseres de pulsos ultracortos son la mejor herramienta para la limpieza de precisión, el pulido de alta precisión, la reparación de superficies y la soldadura, o para modificar grandes cantidades de material.
Los láseres de pulso ultracorto son láseres de pulso cuyos anchos de pulso de láser de salida están en la clase de picosegundos (10-12 segundos), o menos que la clase de picosegundos. Según el ancho de pulso del láser de salida, los láseres de pulso ultracorto se pueden clasificar en láseres de picosegundos, láseres de femtosegundos y láseres de attosegundos. Los láseres de pulsos ultracortos aumentan la energía de los pulsos altos para cambiar drásticamente la respuesta del objeto de luz. En general, cuanto más estrecho sea el ancho del pulso, mayor será la precisión del procesamiento.
Cuando el láser se aplica al material con tiempos de pulso del orden de picosegundos, los resultados del procesamiento cambian drásticamente. A medida que la energía del pulso aumenta drásticamente, la alta densidad de potencia es suficiente para despojar a la capa exterior de electrones. Debido a la corta duración de la interacción del láser con el material, los iones se eliminan de la superficie del material antes de que la energía se transfiera al material circundante, sin efecto térmico en el material circundante, de ahí el término "procesamiento en frío".
Cuando se aplica un láser a la superficie de un material en pulsos de femtosegundos, el láser puede generar una potencia promedio de hasta el orden de kilovatios, con anchos de pulso del orden de unos pocos cientos de femtosegundos (fs). En frecuencias de repetición del orden de 1 kHz a 100 MHz, la energía del pulso puede abarcar el orden de magnitud de milijulios (mJ) a nanojulios (nJ), y la potencia máxima del pulso puede ser tan alta como el orden de GW a TW. magnitud.
Esta combinación de energía de pulso alta, potencia de pulso de pico alto y frecuencia de repetición de pulso alta permite el procesamiento eficiente de estructuras mecánicas que son mucho más finas que los láseres continuos o de pulso largo.
La energía de procesamiento de pulso ultracorto se inyecta extremadamente rápido en una pequeña área de acción, y la deposición instantánea de alta densidad de energía provoca un cambio en la forma en que se absorben y se mueven los electrones, evitando los efectos de la absorción, la transferencia de energía y la difusión del láser lineal, y cambiando fundamentalmente el mecanismo de interacción láser-materia. Al igual que con el procesamiento láser generalizado, que es sin contacto, el uso de láseres de pulsos ultracortos ofrece ventajas únicas en el micromecanizado, incluida una precisión dimensional mejorada y tolerancias más estrictas, daños reducidos y la eliminación de los pasos de procesamiento posteriores.
Esta tecnología negra tiene aplicaciones significativas para los láseres de pulsos ultracortos en una amplia gama de campos, como la investigación básica, el procesamiento industrial y las comunicaciones ópticas, y actualmente está siendo investigada intensamente por los principales países como una forma de realizar avances tecnológicos.
Progreso de I + D en varios campos
01. Comunicaciones
Recientemente, Yu Yao, profesora asociada de ingeniería eléctrica en la Universidad Estatal de Arizona, y su equipo de investigación en el Centro de Innovación Fotónica de la Universidad Estatal de Arizona diseñaron un elemento láser a nanoescala más rápido y con mayor eficiencia energética llamado absorbente saturable metaestructurado híbrido de grafeno-plasma, o GPSMA. para abreviar. Los GPSMA tienen aplicaciones potenciales en industrias como las comunicaciones, el procesamiento de información, la espectroscopia y la biomedicina. El absorbedor se puede utilizar para mejorar la velocidad, la eficiencia y el rendimiento general para avanzar en la transmisión de datos, el procesamiento de información, la detección biomédica y las tecnologías de imagen.
Debido a sus propiedades beneficiosas en la modulación óptica y la absorción saturable, el equipo de Yu Yao incorporó un híbrido de metal y grafeno diseñado sintéticamente en su proceso de desarrollo.
Al diseñar un conjunto de antenas ópticas que enfoca la luz en los espacios a nanoescala del material, conocidos como puntos calientes, para promover la absorción, y al enfocar la luz láser en estos puntos calientes, observaron un mejor rendimiento y un menor consumo de energía. Su nueva técnica abrirá nuevas oportunidades para la espectroscopia láser infrarroja y las comunicaciones de señales ópticas de alta velocidad (cables de fibra óptica y comunicaciones por satélite).
02. Militar
Un arma láser suena como una aplicación muy de ciencia ficción. Hoy, los Estados Unidos ahora tiene el surgimiento de un láser de pulso ultracorto, y muchas personas han estado prestando atención sostenida a esta arma, que produce pulsos de luz que son todos menos de un nanosegundo, y es realmente esperado cuando miras en él a través de este modo de cálculo que se conoce como el Arma Láser de Luz Pulsada Ultra-Corta. Se informa que los pulsos de luz producidos por esta arma son de menos de un nanosegundo, a través de este modo de cálculo mira hacia abajo, se llama arma láser de luz de pulso ultracorto, también en el rango inesperado. La mejora de potencia de 1 millón de veces, una presentación tan ventajosa crea más posibilidades, en el proceso de desarrollo y utilización posterior, el rendimiento será cada vez más evidente.
03. Investigación y Desarrollo
El equipo de investigación del Laboratorio de Tecnología de Láser de Fibra de Alta Potencia, Instituto de Óptica y Maquinaria de Precisión de Shanghai, Academia de Ciencias de China, ha propuesto una técnica de modulación de ganancia óptica no lineal que puede convertir un láser continuo de frecuencia única en pulsos de femtosegundos altamente coherentes. El método es un nuevo medio técnico para obtener pulsos ultrarrápidos de longitud de onda flexible.
El Centro de Investigación de Aplicaciones y Sistemas de Fabricación Fotónica del Instituto de Maquinaria Óptica de Xi'an continúa investigando en la investigación de tecnología de amplificación de pulso láser ultracorto de alta potencia y gran energía, el equipo de investigación utilizó una tecnología de amplificación híbrida de fibra de cristal único en cascada de fibra de vidrio especial, para lograr el 100 Amplificación de pulso ultracorto de frecuencia de kilohercios de salida de energía de casi milijulios, la potencia de salida amplificada máxima de 92,9 vatios, correspondiente a la energía de un solo pulso de hasta 929 microjulios, la rejilla de fibra chirriada de gran dispersión de banda ancha basada en gradiente de temperatura y alta difracción rejilla de eficiencia para la coincidencia de dispersión de precisión del compresor, la longitud de onda central de 1030 nm, ancho espectral de solo 2,4 nm de compresión de pulso ultracorto a 335 femtosegundos (Lorentz ajustando el ancho de pulso límite de transformada de Fourier de 325 femtosegundos), energía de pulso de salida comprimida hasta 800 microJoule, correspondiente a la potencia máxima de más de 2,38 gigavatios. La energía del pulso de salida es de 800 microjulios, lo que corresponde a una potencia máxima de más de 2,38 GW, que es la mayor potencia máxima de salida de pulsos ultracortos obtenida en base a una fibra monocristalina a una frecuencia de repetición de 100 kilohercios, y la calidad de la Se prueba el rayo láser de salida y el factor de calidad del rayo (M²) es mejor que 1.3.
Este trabajo de investigación ha sido apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China bajo el tema principal del proyecto, el Programa de Jóvenes Académicos Occidentales de la Academia de Ciencias de China (CAS), el Proyecto Especial de Integración de Dos Cadenas de la provincia de Shaanxi, el Proyecto Especial Hongguang de la Academia de Ciencias de China (CAS) y la Nueva Estrella de la Ciencia y la Tecnología de la provincia de Shaanxi. Los resultados de la investigación pueden proporcionar medios de tecnología de fuente de luz nuevos y eficientes para la investigación científica y tecnológica, el procesamiento láser ultrarrápido y otros campos. Traducido con www.DeepL.com/Translator (versión gratuita)
