I laser stanno diventando parte integrante di innumerevoli dispositivi e industrie. Quando un raggio laser interagisce con la superficie di un materiale su scala nanometrica, emette un'onda di luce nota come "plasmon" e le proprietà di un dato plasmon possono trasmettere informazioni. Nella trasmissione ottica, il laser pompa la luce in un componente chiamato "assorbitore saturabile" per produrre un segnale ottico.
La tecnologia laser ha anche una vasta gamma di usi nella lavorazione industriale, come la pulizia di precisione dei componenti, il taglio e la saldatura ad alta potenza e le microlavorazioni come foratura, incisione, molatura fine, lucidatura, taglio, testurizzazione, spelatura e isolamento. Nel campo della produzione industriale, gli ingegneri hanno cercato di utilizzare i laser per la microlavorazione molto tempo fa. Tuttavia, a causa delle lunghe larghezze di impulso e della bassa intensità laser dei laser che provocano la fusione del materiale e la continua evaporazione, sebbene il raggio laser possa essere focalizzato in un punto molto piccolo, l'impatto termico sul materiale è ancora significativo, limitando la precisione del processo. L'unico modo per migliorare la qualità della lavorazione è ridurre l'impatto termico. Quando è richiesta una precisione di un micron, i laser a impulsi ultracorti sono lo strumento migliore per la pulizia di precisione, la lucidatura ad alta precisione, il rifacimento della superficie e la saldatura o per modificare in altro modo grandi quantità di materiale.
I laser a impulsi ultracorti sono laser a impulsi le cui larghezze dell'impulso laser in uscita sono nella classe dei picosecondi (10-12 secondi) o inferiori alla classe dei picosecondi. A seconda dell'ampiezza dell'impulso del laser di uscita, i laser a impulsi ultracorti possono essere ulteriormente classificati in laser a picosecondi, laser a femtosecondi e laser ad attosecondi. I laser a impulsi ultracorti aumentano l'energia degli impulsi elevati per modificare drasticamente la risposta dell'oggetto luce. In generale, minore è l'ampiezza dell'impulso, maggiore è la precisione di elaborazione.
Quando il laser viene applicato al materiale con tempi di impulso dell'ordine dei picosecondi, i risultati della lavorazione cambiano radicalmente. Poiché l'energia dell'impulso aumenta notevolmente, l'elevata densità di potenza è sufficiente per spogliare lo strato esterno di elettroni. A causa della breve durata dell'interazione laser con il materiale, gli ioni vengono ablati dalla superficie del materiale prima che l'energia venga trasferita al materiale circostante, senza alcun effetto termico sul materiale circostante, da qui il termine "lavorazione a freddo".
Quando un laser viene applicato a una superficie del materiale in impulsi di femtosecondi, il laser può emettere una potenza media fino all'ordine di kilowatt, con larghezze di impulso dell'ordine di poche centinaia di femtosecondi (fs). A frequenze di ripetizione dell'ordine da 1 kHz a 100 MHz, l'energia dell'impulso può estendersi nell'ordine di grandezza da millijoule (mJ) a nano-joule (nJ) e la potenza dell'impulso di picco può raggiungere l'ordine da GW a TW di grandezza.
Questa combinazione di elevata energia dell'impulso, elevata potenza dell'impulso di picco e alta frequenza di ripetizione dell'impulso consente l'elaborazione efficiente di strutture meccaniche che sono molto più fini dei laser a impulsi continui o lunghi.
L'energia di elaborazione dell'impulso ultracorto viene iniettata molto rapidamente in una piccola area di azione e la deposizione istantanea ad alta densità di energia provoca un cambiamento nel modo in cui gli elettroni vengono assorbiti e si muovono, evitando gli effetti dell'assorbimento lineare del laser, del trasferimento di energia e della diffusione e cambiando radicalmente il meccanismo dell'interazione laser-materia. Come per la lavorazione laser generalizzata, che è senza contatto, l'uso di laser pulsati ultracorti offre vantaggi unici nella microlavorazione, tra cui una maggiore precisione dimensionale e tolleranze più strette, danni ridotti e la rimozione delle successive fasi di lavorazione.
Questa tecnologia nera ha applicazioni significative per i laser a impulsi ultracorti in una vasta gamma di campi come la ricerca di base, l'elaborazione industriale e le comunicazioni ottiche, ed è attualmente oggetto di intense ricerche da parte dei principali paesi come un modo per realizzare progressi tecnologici.
Progressi di ricerca e sviluppo in vari campi
01. Comunicazioni
Di recente, Yu Yao, professore associato di ingegneria elettrica presso l'Arizona State University, e il suo gruppo di ricerca presso l'Arizona State University Photonics Innovation Center hanno progettato un elemento laser su scala nanometrica più veloce ed efficiente dal punto di vista energetico chiamato assorbitore saturabile metastrutturato ibrido grafene-plasma, o GPSMA in breve. I GPSMA hanno potenziali applicazioni in settori come le comunicazioni, l'elaborazione delle informazioni, la spettroscopia e la biomedicina. L'assorbitore può essere utilizzato per migliorare la velocità, l'efficienza e le prestazioni complessive per far progredire la trasmissione dei dati, l'elaborazione delle informazioni, il rilevamento biomedico e le tecnologie di imaging.
Grazie alle sue proprietà benefiche nella modulazione ottica e nell'assorbimento saturabile, il team di Yu Yao ha incorporato un ibrido metallo-grafene ingegnerizzato sinteticamente nel loro processo di sviluppo.
Progettando un array di antenne ottiche che concentra la luce negli spazi su scala nanometrica del materiale, noti come punti caldi, per favorire l'assorbimento, e focalizzando la luce laser su questi punti caldi, hanno osservato prestazioni migliorate e ridotto consumo energetico. La loro nuova tecnica aprirà nuove opportunità per la spettroscopia laser a infrarossi e le comunicazioni di segnali ottici ad alta velocità (cavi in fibra ottica e comunicazioni satellitari).
02. Militare
Un'arma laser suona come un'applicazione molto fantascientifica. Oggi, gli Stati Uniti hanno ora l'emergere di un laser a impulsi ultracorti e molte persone hanno prestato molta attenzione a quest'arma, che produce impulsi di luce che sono tutti inferiori a un nanosecondo, ed è davvero previsto quando guardi a esso attraverso questa modalità di calcolo che è conosciuta come l'arma laser a luce pulsata ultracorta. È stato riferito che gli impulsi di luce prodotti da quest'arma sono inferiori a un nanosecondo, attraverso questa modalità di calcolo guarda in basso, si chiama arma laser a luce a impulsi ultra-brevi, anche nella gamma inaspettata. Il potenziamento della potenza di 1 milione di volte, una presentazione così vantaggiosa crea più possibilità, nel successivo processo di sviluppo e utilizzo, le prestazioni saranno sempre più evidenti.
03. Ricerca e sviluppo
Il gruppo di ricerca dell'High Power Fiber Laser Technology Laboratory, Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery, Chinese Academy of Sciences, ha proposto una tecnica di modulazione del guadagno ottico non lineare in grado di convertire un laser continuo a frequenza singola in impulsi a femtosecondi altamente coerenti. Il metodo è un mezzo tecnico nuovo di zecca per ottenere impulsi ultraveloci a lunghezza d'onda flessibile.
Xi'an Institute of Optical Machinery Photonic Manufacturing Systems and Applications Research Center continua a ricercare nella ricerca sulla tecnologia di amplificazione dell'impulso laser ultracorto ad alta potenza e grande energia, il team di ricerca ha utilizzato una speciale tecnologia di amplificazione ibrida in fibra di cristallo singolo a cascata in fibra di vetro, per raggiungere il 100 amplificazione dell'impulso ultracorto a frequenza di chilohertz con uscita di energia di quasi millijoule, potenza di uscita amplificata massima di 92,9 watt, corrispondente all'energia di un singolo impulso fino a 929 microjoule, reticolo di fibra cinguettante a banda larga basato sul gradiente di temperatura e alta diffrazione reticolo di efficienza per l'adattamento della dispersione di precisione del compressore, lunghezza d'onda centrale di 1030 nm, larghezza spettrale di soli 2,4 nm della compressione dell'impulso ultracorto a 335 femtosecondi (adattamento di Lorentz trasformata di Fourier larghezza dell'impulso limite di 325 femtosecondi), energia dell'impulso di uscita compressa fino a 800 microJoule, corrispondente alla potenza di picco di oltre 2,38 gigawatt. L'energia dell'impulso in uscita è di 800 microJoule, corrispondente a una potenza di picco superiore a 2,38 GW, che è la massima potenza di picco dell'uscita dell'impulso ultracorto ottenuta sulla base di una fibra monocristallina a una frequenza di ripetizione di 100 kilohertz, e la qualità dell'impulso il raggio laser in uscita viene testato e il fattore di qualità del raggio (M²) è migliore di 1,3.
Questo lavoro di ricerca è stato sostenuto dalla National Natural Science Foundation of China nell'ambito del principale tema del progetto, il Western Young Scholars Program dell'Accademia cinese delle scienze (CAS), il Two Chain Integration Special Project della provincia dello Shaanxi, l'Hongguang Special Project di l'Accademia cinese delle scienze (CAS) e la nuova stella della scienza e della tecnologia della provincia dello Shaanxi. I risultati della ricerca possono fornire nuovi ed efficienti mezzi tecnologici per la sorgente luminosa per la ricerca scientifica e tecnologica, l'elaborazione laser ultraveloce e altri campi. Tradotto con www.DeepL.com/Translator (versione gratuita)
