激光正成為無(wú)數(shù)設(shè)備和行業(yè)不可或缺的組成部分。當(dāng)激光的光束與納米級(jí)材料表面相互作用時(shí)，它會(huì)發(fā)出一種被稱為“等離子體激元”（plasmon）的光波，而給定等離子體激元的屬性可以傳遞信息。在光學(xué)傳輸中，激光將光泵入一個(gè)稱為“可飽和吸收器”的部件，以產(chǎn)生光信號(hào)。激光技術(shù)在工業(yè)加工中也有廣泛的用途，如零部件的精密清洗，高功率切割、焊接，微加工的鉆孔、劃線、細(xì)磨、精拋、切割、紋理、剝除、隔離等。在工業(yè)制造領(lǐng)域，工程師們很早就嘗試?yán)眉す膺M(jìn)行微加工。但是由于激光的長(zhǎng)脈沖寬度和低激光強(qiáng)度造成材料熔化并持續(xù)蒸發(fā)，雖然激光束可以被聚焦成很小的光斑，但是對(duì)材料的熱沖擊依然很大，限制了加工的精度。唯有減少熱影響才能提高加工質(zhì)量。當(dāng)精度要求達(dá)到一微米的時(shí)候，超短脈沖激光對(duì)于精密清洗、高精度的拋光、表面重塑與焊接，或以其他方式修改大量的材料來(lái)說(shuō)是最棒的工具。超短脈沖激光，是指超快激光器輸出激光的脈沖寬度在皮秒（10－12秒）級(jí)別、或小于皮秒級(jí)別的脈沖激光。根據(jù)輸出激光的脈寬不同，超短脈沖激光又可分為皮秒激光、飛秒激光、阿秒激光。超短脈沖激光增加高脈沖的能量極大地改變光物反應(yīng)。一般情況下，脈寬越窄，加工精度越高。激光以不同的脈沖時(shí)間作用到材料商，所產(chǎn)生的效果也是天壤之別：當(dāng)激光以納秒量級(jí)的脈沖時(shí)間進(jìn)行工作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)很高的脈沖能量、峰值功率和平均功率，為微型機(jī)械加工應(yīng)用
當(dāng)激光以皮秒量級(jí)的脈沖時(shí)間作用到材料上時(shí)，加工效果會(huì)發(fā)生顯著變化。隨著脈沖能量急劇上升，高功率密度足以剝離外層電子。由于激光與材料相互作用的時(shí)間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了，不會(huì)給周圍的材料帶來(lái)熱影響，因此也被稱為“冷加工”。
當(dāng)激光以飛秒的脈沖時(shí)間作用于材料表面時(shí)，激光器可以輸出具有高達(dá)千瓦量級(jí)的平均功率，幾百飛秒（fs）量級(jí)以下的脈沖寬度。在重復(fù)頻率為1kHz至100MHz量級(jí)的情況下，其脈沖能量可以跨越毫焦（mJ）至納焦（nJ）量級(jí)，脈沖峰值功率可以高達(dá)GW至TW量級(jí)。
這種集高脈沖能量、高脈沖峰值功率以及高脈沖重復(fù)頻率于一體的激光器可以高效地加工出比連續(xù)或者長(zhǎng)脈沖激光更加精細(xì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
超短脈沖加工能量極快地注入很小的作用區(qū)域，瞬間高能量密度沉積使電子吸收和運(yùn)動(dòng)方式發(fā)生變化，避免了激光線性吸收、能量轉(zhuǎn)移和擴(kuò)散等影響，從根本上改變了激光與物質(zhì)相互作用機(jī)制。同普遍化的激光加工一樣，屬于無(wú)接觸式加工，使用超短脈沖激光在微加工中特有優(yōu)勢(shì)，包括增強(qiáng)的尺寸精度和更嚴(yán)格的公差，減少損害并去除后續(xù)處理步驟。這項(xiàng)黑科技在超短脈沖激光在基礎(chǔ)研究、工業(yè)加工和光通信等廣泛領(lǐng)域有重大應(yīng)用，目前各大國(guó)正在加緊研究，以此實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的更新迭代。超短脈沖激光技術(shù)在各領(lǐng)域中的研發(fā)進(jìn)展
近期，亞利桑那州立大學(xué)電氣工程副教授Yu Yao和她在亞利桑那州立大學(xué)光子學(xué)創(chuàng)新中心的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種更快、更節(jié)能的納米級(jí)激光元件，稱為石墨烯-等離子體混合元結(jié)構(gòu)飽和吸收體，簡(jiǎn)稱GPSMA。GPSMA在通信、信息處理、光譜學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等行業(yè)具有潛在的應(yīng)用前景。吸收劑可用于提高速度、效率和整體性能，以推進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸、信息處理、生物醫(yī)學(xué)傳感和成像技術(shù)。由于它在光學(xué)調(diào)制和飽和吸收方面具有有益的特性，Yu Yao的團(tuán)隊(duì)在他們的開發(fā)過(guò)程中加入了一種人工工程金屬-石墨烯混合材料。他們通過(guò)設(shè)計(jì)一種光學(xué)天線陣列，將光聚焦到材料的納米級(jí)間隙，即所謂的熱點(diǎn)，以促進(jìn)吸收，通過(guò)將激光聚焦在這些熱點(diǎn)上，他們觀察到性能的提高和能量消耗的減少。他們的新技術(shù)將為紅外激光光譜和高速光信號(hào)通信(光纖電纜和衛(wèi)星通信)開辟新機(jī)遇。激光武器聽起來(lái)就是一種非?？苹没膽?yīng)用。如今，美國(guó)現(xiàn)在就有了一種超短脈沖激光的出現(xiàn)，很多人都已經(jīng)對(duì)這種武器進(jìn)行了持續(xù)的關(guān)注，這款武器所產(chǎn)生的脈沖光都是小于一納秒的，通過(guò)這種計(jì)算模式看下來(lái)，它被稱為超短脈沖光激光武器，也確實(shí)在意料范圍之中。據(jù)悉，這款武器所產(chǎn)生的脈沖光都是小于一納秒的，通過(guò)這種計(jì)算模式看下來(lái)，它被稱為超短脈沖光激光武器，也確實(shí)在意料范圍之中。功率增強(qiáng)100萬(wàn)倍，這樣的優(yōu)勢(shì)呈現(xiàn)創(chuàng)造了更多的可能，在后續(xù)的發(fā)展和運(yùn)用過(guò)程當(dāng)中，表現(xiàn)也會(huì)越發(fā)明顯。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高功率光纖激光技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)提出了一種非線性光學(xué)增益調(diào)制技術(shù)，可以將單頻連續(xù)激光轉(zhuǎn)換為高相干飛秒脈沖。該方法是獲得波長(zhǎng)靈活超快脈沖的全新技術(shù)手段。西安光機(jī)所光子制造系統(tǒng)與應(yīng)用研究中心持續(xù)在高功率大能量超短激光脈沖放大技術(shù)研究方面進(jìn)行攻關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)采用特種玻璃光纖級(jí)聯(lián)單晶光纖的混合式放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了100千赫茲重頻下近毫焦級(jí)能量的超短脈沖放大輸出，最大放大輸出功率92.9瓦，對(duì)應(yīng)單脈沖能量達(dá)929微焦，通過(guò)基于溫度梯度的寬帶大色散啁啾光纖光柵和高衍射效率光柵對(duì)壓縮器進(jìn)行精密的色散匹配，將中心波長(zhǎng)1030納米，譜寬僅2.4納米的超短脈沖壓縮至335飛秒（洛倫茲擬合的傅里葉轉(zhuǎn)換極限脈沖寬度325飛秒），壓縮后輸出脈沖能量達(dá)800微焦，對(duì)應(yīng)峰值功率大于2.38吉瓦，是目前基于單晶光纖在百千赫茲重復(fù)頻率下獲得的最大峰值功率的超短脈沖輸出，對(duì)輸出的激光光束質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，光束質(zhì)量因子（M2）優(yōu)于1.3。該項(xiàng)研究工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目課題、中科院西部青年學(xué)者項(xiàng)目、陜西省兩鏈融合專項(xiàng)、中科院弘光專項(xiàng)、陜西省科技新星等項(xiàng)目支持。研究成果可為科學(xué)與技術(shù)研究、超快激光加工等領(lǐng)域提供新型高效光源技術(shù)手段。
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