เลเซอร์กำลังกลายเป็นส่วนสำคัญของอุปกรณ์และอุตสาหกรรมนับไม่ถ้วน เมื่อลำแสงเลเซอร์กระทบกับพื้นผิวของวัสดุระดับนาโน มันจะปล่อยคลื่นแสงที่เรียกว่า "พลาสมอน" และคุณสมบัติของพลาสมอนที่กำหนดสามารถถ่ายทอดข้อมูลได้ ในการส่งผ่านแสง เลเซอร์จะปั๊มแสงเข้าไปในส่วนประกอบที่เรียกว่า "ตัวดูดซับที่อิ่มตัว" เพื่อสร้างสัญญาณแสง
เทคโนโลยีเลเซอร์ยังมีการใช้งานที่หลากหลายในการประมวลผลทางอุตสาหกรรม เช่น การทำความสะอาดชิ้นส่วนอย่างแม่นยำ การตัดและการเชื่อมด้วยกำลังสูง และการตัดเฉือนขนาดเล็ก เช่น การเจาะ การขีดเขียน การเจียระไนแบบละเอียด การขัดเงา การตัด การทำพื้นผิว การปอก และการแยกส่วน ในด้านการผลิตเชิงอุตสาหกรรม วิศวกรพยายามใช้เลเซอร์สำหรับการตัดเฉือนขนาดเล็กมาเป็นเวลานานแล้ว อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความกว้างพัลส์ที่ยาวและความเข้มของแสงเลเซอร์ต่ำทำให้วัสดุละลายและระเหยต่อไป แม้ว่าลำแสงเลเซอร์จะสามารถโฟกัสไปที่จุดเล็กๆ ได้ แต่ผลกระทบทางความร้อนบนวัสดุยังคงมีนัยสำคัญ ซึ่งจำกัดความแม่นยำ ของกระบวนการ วิธีเดียวที่จะปรับปรุงคุณภาพการตัดเฉือนคือการลดผลกระทบจากความร้อน เมื่อต้องการความแม่นยำในระดับ 1 ไมครอน เลเซอร์พัลซิ่งแบบสั้นเกินขีดเป็นเครื่องมือที่ดีที่สุดสำหรับการทำความสะอาดที่แม่นยำ การขัดเงาที่มีความแม่นยำสูง การผลัดผิวและการเชื่อม หรือการดัดแปลงวัสดุจำนวนมาก
เลเซอร์พัลส์สั้นพิเศษคือเลเซอร์พัลส์ที่มีความกว้างพัลส์เลเซอร์เอาต์พุตอยู่ในคลาสพิโควินาที (10-12 วินาที) หรือน้อยกว่าคลาสพิโควินาที ขึ้นอยู่กับความกว้างพัลส์ของเลเซอร์เอาท์พุต เลเซอร์ชีพจรสั้นเกินสามารถแบ่งประเภทเพิ่มเติมออกเป็นเลเซอร์พิโควินาที เลเซอร์เฟมโตวินาที และเลเซอร์แอทโทวินาที เลเซอร์พัลส์แบบสั้นเกินจะเพิ่มพลังงานของพัลส์สูงเพื่อเปลี่ยนการตอบสนองของวัตถุที่เบาอย่างมาก โดยทั่วไป ยิ่งความกว้างของพัลส์แคบลง ความแม่นยำในการประมวลผลก็จะยิ่งสูงขึ้น
เมื่อเลเซอร์ถูกนำไปใช้กับวัสดุด้วยเวลาพัลส์ตามลำดับของพิโกวินาที ผลลัพธ์ของการประมวลผลจะเปลี่ยนไปอย่างมาก เมื่อพลังงานพัลส์เพิ่มขึ้นอย่างมาก ความหนาแน่นของพลังงานสูงก็เพียงพอที่จะดึงชั้นนอกของอิเล็กตรอน เนื่องจากปฏิกิริยาของเลเซอร์กับวัสดุมีระยะเวลาสั้น ไอออนจะถูกกำจัดออกจากพื้นผิวของวัสดุก่อนที่พลังงานจะถูกถ่ายโอนไปยังวัสดุโดยรอบ โดยไม่มีผลกระทบทางความร้อนต่อวัสดุโดยรอบ ดังนั้นคำว่า "กระบวนการแปรรูปเย็น"
เมื่อเลเซอร์ถูกนำไปใช้กับพื้นผิวของวัสดุเป็นพัลส์เฟมโตวินาที เลเซอร์สามารถส่งออกพลังงานเฉลี่ยได้สูงสุดถึงกิโลวัตต์ โดยมีความกว้างพัลส์อยู่ที่ไม่กี่ร้อยเฟมโตวินาที (fs) ที่ความถี่การทำซ้ำตามลำดับของ 1 kHz ถึง 100 MHz พลังงานพัลส์สามารถขยายเป็นมิลลิจูล (mJ) ไปจนถึงลำดับขนาดนาโนจูล (nJ) และกำลังพัลส์สูงสุดอาจสูงถึงลำดับ GW ถึง TW ของ ขนาด.
การรวมกันของพลังงานพัลส์สูง พลังงานพัลส์พีคสูง และความถี่การทำซ้ำของพัลส์สูงช่วยให้สามารถประมวลผลโครงสร้างเชิงกลได้อย่างมีประสิทธิภาพซึ่งละเอียดกว่าเลเซอร์พัลซิ่งแบบต่อเนื่องหรือแบบยาวมาก
พลังงานการประมวลผลพัลส์สั้นเกินขีดถูกฉีดเข้าไปอย่างรวดเร็วมากในพื้นที่เล็กๆ ของการกระทำ และการสะสมความหนาแน่นของพลังงานสูงในทันทีทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในวิธีที่อิเล็กตรอนถูกดูดซับและเคลื่อนที่ หลีกเลี่ยงผลกระทบของการดูดกลืนแสงเลเซอร์เชิงเส้น การถ่ายโอนพลังงาน และการแพร่กระจาย และการเปลี่ยนแปลงพื้นฐาน กลไกการโต้ตอบของสสารเลเซอร์ เช่นเดียวกับการประมวลผลด้วยเลเซอร์ทั่วไปซึ่งเป็นแบบไม่สัมผัส การใช้เลเซอร์พัลซิ่งที่สั้นเกินขีดมีข้อได้เปรียบที่ไม่เหมือนใครในการตัดเฉือนขนาดเล็ก รวมถึงความแม่นยำของมิติที่เพิ่มขึ้นและความคลาดเคลื่อนที่เข้มงวดยิ่งขึ้น ความเสียหายที่ลดลง และการกำจัดขั้นตอนการประมวลผลที่ตามมา
เทคโนโลยีสีดำนี้มีการใช้งานที่สำคัญสำหรับเลเซอร์พัลซิ่งเกินขนาดในหลากหลายสาขา เช่น การวิจัยขั้นพื้นฐาน การประมวลผลทางอุตสาหกรรม และการสื่อสารด้วยแสง และขณะนี้กำลังได้รับการวิจัยอย่างเข้มข้นในประเทศใหญ่ๆ เพื่อเป็นแนวทางในการสร้างความก้าวหน้าทางเทคโนโลยี
ความก้าวหน้าด้านการวิจัยและพัฒนาในด้านต่างๆ
01. การสื่อสาร
เมื่อเร็ว ๆ นี้ หยูเหยา รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมไฟฟ้าที่ Arizona State University และทีมวิจัยของเธอที่ Arizona State University Photonics Innovation Center ได้ออกแบบองค์ประกอบเลเซอร์ระดับนาโนสเกลที่เร็วกว่าและประหยัดพลังงานมากกว่า ซึ่งเรียกว่าตัวดูดซับความอิ่มตัวของโครงสร้างเมตาพลาสมาแบบไฮบริดหรือ GPSMA เรียกสั้นๆ ว่า GPSMA มีศักยภาพในการใช้งานในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การสื่อสาร การประมวลผลข้อมูล สเปกโทรสโกปี และชีวเวชศาสตร์ สามารถใช้ตัวดูดซับเพื่อปรับปรุงความเร็ว ประสิทธิภาพ และประสิทธิภาพโดยรวม เพื่อพัฒนาการรับส่งข้อมูล การประมวลผลข้อมูล การตรวจจับทางชีวการแพทย์ และเทคโนโลยีการถ่ายภาพ
เนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นประโยชน์ในการมอดูเลตแสงและการดูดกลืนแสงที่อิ่มตัว ทีมงานของหยู เหยาจึงรวมเอาโลหะ-กราฟีนไฮบริดที่ออกแบบทางวิศวกรรมสังเคราะห์เข้าไปในกระบวนการพัฒนาของพวกเขา
ด้วยการออกแบบอาร์เรย์เสาอากาศแบบออปติกที่โฟกัสแสงไปยังช่องว่างระดับนาโนของวัสดุ ซึ่งเรียกว่าจุดร้อน เพื่อส่งเสริมการดูดซับ และโดยการโฟกัสแสงเลเซอร์ไปที่จุดร้อนเหล่านี้ พวกเขาสังเกตเห็นประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและลดการใช้พลังงาน เทคนิคใหม่ของพวกเขาจะเปิดโอกาสใหม่สำหรับอินฟราเรดเลเซอร์สเปกโทรสโกปีและการสื่อสารด้วยสัญญาณแสงความเร็วสูง (สายเคเบิลใยแก้วนำแสงและการสื่อสารผ่านดาวเทียม)
02. ทหาร
อาวุธเลเซอร์ฟังดูเหมือนเป็นแอปพลิเคชั่นแนวไซไฟ วันนี้ สหรัฐอเมริกามีเลเซอร์พัลซิ่งสั้นพิเศษเกิดขึ้น และผู้คนจำนวนมากให้ความสนใจอย่างต่อเนื่องกับอาวุธนี้ ซึ่งสร้างพัลส์ของแสงที่มีขนาดน้อยกว่า 1 นาโนวินาที และเป็นที่คาดหมายจริงๆ เมื่อคุณดู ด้วยโหมดการคำนวณนี้จึงเรียกว่าอาวุธเลเซอร์แสงพัลซิ่งสั้นพิเศษ มีรายงานว่าพัลส์ของแสงที่ผลิตโดยอาวุธนี้มีค่าน้อยกว่า 1 นาโนวินาที เมื่อผ่านโหมดการคำนวณนี้โดยมองลง จะเรียกว่าอาวุธเลเซอร์แสงพัลส์สั้นพิเศษ ซึ่งจริงๆ แล้วอยู่ในช่วงที่คาดไม่ถึงด้วย การเพิ่มพลังถึง 1 ล้านครั้ง การนำเสนอที่ได้เปรียบเช่นนี้สร้างความเป็นไปได้มากขึ้น ในกระบวนการพัฒนาและการใช้งานที่ตามมา ประสิทธิภาพจะชัดเจนมากขึ้นเรื่อยๆ
03. การวิจัยและพัฒนา
ทีมวิจัยของห้องปฏิบัติการเทคโนโลยีเลเซอร์ไฟเบอร์พลังงานสูง สถาบันทัศนศาสตร์และเครื่องจักรความแม่นยำแห่งเซี่ยงไฮ้ สถาบันวิทยาศาสตร์จีน ได้เสนอเทคนิคการมอดูเลตอัตราขยายทางแสงแบบไม่เชิงเส้นที่สามารถแปลงเลเซอร์ต่อเนื่องความถี่เดียวให้เป็นพัลส์เฟมโตวินาทีที่เชื่อมโยงกันสูง วิธีการนี้เป็นวิธีการทางเทคนิคใหม่ล่าสุดเพื่อให้ได้พัลส์เร็วพิเศษที่ยืดหยุ่นตามความยาวคลื่น
ซีอานสถาบันออปติคัลแมชชีนเนอรี่ระบบการผลิตและศูนย์วิจัยการใช้งานโทนิคยังคงทำการวิจัยในการวิจัยเทคโนโลยีการขยายพัลส์พัลส์เลเซอร์พลังงานสูงและพลังงานขนาดใหญ่เกินขีด ทีมวิจัยใช้เทคโนโลยีการขยายใยแก้วแบบไฮบริดแบบใยแก้วแบบพิเศษเพื่อให้ได้ 100 กิโลเฮิรตซ์ re-frequency ultrashort พัลส์ขยายเอาต์พุตพลังงานเกือบมิลลิจูล กำลังขยายสูงสุดที่ 92.9 วัตต์ ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานของพัลส์เดียวสูงถึง 929 ไมโครจูล ตะแกรงไฟเบอร์เกรตติ้งและการกระจายตัวสูงตามอุณหภูมิแบบไล่ระดับสี ประสิทธิภาพสอดคล้องกับการจับคู่การกระจายที่แม่นยำของคอมเพรสเซอร์ ความยาวคลื่นศูนย์กลางที่ 1,030 นาโนเมตร ความกว้างสเปกตรัมเพียง 2.4 นาโนเมตรของการบีบอัดพัลส์เกินขนาดถึง 335 เฟมโตวินาที (Lorentz fitting ฟูริเยร์แปลงความกว้างของพัลส์จำกัดที่ 325 เฟมโตวินาที) พลังงานพัลส์เอาต์พุตที่บีบอัดสูงถึง 800 ไมโครจูล ซึ่งสอดคล้องกับกำลังสูงสุดมากกว่า 2.38 กิกะวัตต์ พลังงานพัลส์เอาท์พุตคือ 800 ไมโครจูล ซึ่งสอดคล้องกับกำลังสูงสุดที่มากกว่า 2.38 GW ซึ่งเป็นกำลังสูงสุดที่ใหญ่ที่สุดของเอาต์พุตพัลส์ที่สั้นเกินขีดซึ่งได้รับจากไฟเบอร์แบบผลึกเดี่ยวที่ความถี่การทำซ้ำที่ 100 กิโลเฮิรตซ์ และคุณภาพของ มีการทดสอบลำแสงเลเซอร์เอาท์พุต และปัจจัยด้านคุณภาพลำแสง (ตร.ม.) ดีกว่า 1.3
งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนจาก National Natural Science Foundation of China ภายใต้หัวข้อโครงการหลัก ได้แก่ Western Young Scholars Programme of the Chinese Academy of Sciences (CAS), the Two Chain Integration Special Project of Shaanxi Province, the Hongguang Special Project of Chinese Academy of Sciences (CAS) และ New Star of Science and Technology of Shaanxi Province ผลการวิจัยสามารถนำเสนอเทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสงใหม่และมีประสิทธิภาพสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี การประมวลผลด้วยเลเซอร์ที่เร็วมาก และสาขาอื่นๆ แปลด้วย www.DeepL.com/Translator (เวอร์ชันฟรี)
