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盡管幾十年來對(duì)激光及其應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，但很少有辦法準(zhǔn)確、高效、直接觀察其與材料相互作用的細(xì)節(jié)。現(xiàn)在，研究人員首次找到了利用低成本設(shè)備從生產(chǎn)型激光器中獲取此類數(shù)據(jù)的方法，可以極大地提高激光切割或蝕刻的物品精度。鑒于激光器無處不在，這可能在實(shí)驗(yàn)室、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中產(chǎn)生廣泛影響。

激光在現(xiàn)代世界中的應(yīng)用異常廣泛。其中一個(gè)特別重要的應(yīng)用領(lǐng)域是制造業(yè)，原因是激光器的操作精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他加工工具。然而，目前激光加工的精度水平在理論上還可以更高，從而可能出現(xiàn)新一代技術(shù)。不過，在此之前研究人員還有一些障礙需要克服。

（左下）激光在材料上打孔；（左上方）測量激光的通量；（右下）疊加了通量和孔深的測量值；（右上）然后確定這些測量值之間的關(guān)系，以便可以僅基于注量來計(jì)算孔深度

提高激光加工精度的關(guān)鍵是，需要更好地掌握激光與材料加工互相影響的反饋。這樣一來，工業(yè)激光器在做切割和蝕刻時(shí)，就能有更大的控制力和更少的不確定性。到目前為止這個(gè)問題始終未能解決，這足以證明其難度。

“要測量激光器切割到表面多遠(yuǎn)，往往需要進(jìn)行幾十或幾百次深度讀數(shù)。這對(duì)于基于激光的快速、自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)來說是一個(gè)實(shí)質(zhì)性障礙，”東京大學(xué)物理系教授Junji Yumoto談到，“因此我們的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新方法來確定和預(yù)測激光脈沖產(chǎn)生孔的深度，基于一次觀測而不是幾十次或幾百次。這一發(fā)現(xiàn)是提高激光加工可控性的重要一步?！?/p>

Junji Yumoto和他的團(tuán)隊(duì)想知道如何利用盡可能少的信息量來確定激光鉆孔的深度。這促使他們研究激光脈沖的能量密度，即脈沖在給定區(qū)域內(nèi)提供的通量。直到最近，如果要觀測激光脈沖的能量密度，仍需要昂貴的成像設(shè)備支持，并且設(shè)備也無法提供足夠清晰的分辨率。但由于電子和光學(xué)其他領(lǐng)域的發(fā)展，一個(gè)相對(duì)簡單的設(shè)備“Raspberry Pi Camera Version 2” 被證明可以勝任這項(xiàng)工作。

當(dāng)他們的測試激光設(shè)備在藍(lán)寶石上打出一個(gè)孔時(shí)，相機(jī)直接記錄了激光脈沖的通量分布。然后用激光顯微鏡測量孔的形狀。通過將這兩個(gè)結(jié)果疊加起來，并使用一些現(xiàn)代數(shù)值方法，該團(tuán)隊(duì)產(chǎn)生了一個(gè)龐大而可靠的數(shù)據(jù)集，可以準(zhǔn)確獲取能量密度和孔深之間的關(guān)系，相當(dāng)于從一次測量中提取約25萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，這種新方法可以有效地為機(jī)器學(xué)習(xí)和新的數(shù)值模擬方法提供大數(shù)據(jù)，提高工業(yè)激光加工的精度和可控性。