レーザーは、数え切れないほどのデバイスや産業に不可欠な部分になりつつあります。 レーザービームがナノスケール材料の表面と相互作用すると、「プラズモン」として知られる光の波が放出され、特定のプラズモンの特性によって情報が伝達されます。 光伝送では、レーザーが「可飽和吸収体」と呼ばれるコンポーネントに光を送り込み、光信号を生成します。
レーザー技術はまた、部品の精密洗浄、高出力の切断と溶接、穴あけ、スクライビング、微研削、研磨、切断、テクスチャリング、剥離、絶縁などの微細加工など、工業処理においても幅広い用途に使用されています。 工業製造の分野では、エンジニアはずっと前に微細加工にレーザーを利用しようと試みてきました。 ただし、レーザーのパルス幅が長く、レーザー強度が低いため、材料が溶融して蒸発し続けます。レーザー ビームは非常に小さなスポットに集束できますが、材料に対する熱影響は依然として大きく、精度が制限されます。プロセスの。 加工品質を向上させる唯一の方法は、熱の影響を軽減することです。 1 ミクロンの精度が必要な場合、超短パルスレーザーは、精密洗浄、高精度研磨、表面再仕上げや溶接、その他大量の材料の修正に最適なツールです。
超短パルス レーザーは、出力レーザー パルス幅がピコ秒 (10-12 秒) クラス、またはピコ秒クラス未満であるパルス レーザーです。 超短パルスレーザーは、出力レーザーのパルス幅に応じて、ピコ秒レーザー、フェムト秒レーザー、アト秒レーザーにさらに分類できます。 超短パルスレーザーは高パルスのエネルギーを増加させ、光物体の反応を劇的に変化させます。 一般にパルス幅が狭いほど処理精度は高くなります。
ピコ秒オーダーのパルス時間でレーザーを材料に照射すると、加工結果は劇的に変化します。 パルスエネルギーが劇的に上昇すると、高い出力密度が電子の外層を剥ぎ取るのに十分になります。 レーザーと材料の相互作用の持続時間が短いため、エネルギーが周囲の材料に伝達される前にイオンが材料の表面からアブレーションされ、周囲の材料に熱影響を与えないため、「冷間加工」という用語が付けられています。
レーザーがフェムト秒パルスで材料表面に照射されると、レーザーは数百フェムト秒 (fs) 程度のパルス幅で最大キロワット程度の平均パワーを出力できます。 1 kHz ～ 100 MHz 程度の繰り返し周波数では、パルスエネルギーはミリジュール (mJ) からナノジュール (nJ) のオーダーに及び、ピークパルスパワーは GW ～ TW のオーダーにも達します。大きさ。
この高いパルスエネルギー、高いピークパルスパワー、および高いパルス繰り返し周波数の組み合わせにより、連続または長パルスレーザーよりもはるかに微細な機械構造の効率的な加工が可能になります。
超短パルス処理エネルギーは、小さな作用領域に非常に迅速に注入され、瞬間的な高エネルギー密度の堆積により、電子の吸収と移動の方法に変化が生じ、線形レーザー吸収、エネルギー伝達、拡散の影響が回避され、根本的に変化します。レーザーと物質の相互作用のメカニズム。 非接触の一般的なレーザー加工と同様に、超短パルスレーザーの使用は、寸法精度の向上と公差の厳格化、損傷の軽減、後続の加工ステップの削減など、微細加工において独自の利点をもたらします。
このブラックテクノロジーは、基礎研究、工業加工、光通信などの幅広い分野で超短パルスレーザーに重要な用途があり、現在、技術進歩を実現する手段として主要国で集中的に研究が進められています。
さまざまな分野での研究開発の進展
01. コミュニケーション
最近、アリゾナ州立大学の電気工学准教授である Yu Yao 氏とアリゾナ州立大学フォトニクス イノベーション センターの研究チームは、グラフェンとプラズマのハイブリッド メタ構造可飽和吸収体 (GPSMA) と呼ばれる、より高速でエネルギー効率の高いナノスケール レーザー素子を設計しました。 GPSMA は、通信、情報処理、分光学、生物医学などの産業で応用できる可能性があります。 アブソーバーを使用すると、速度、効率、全体的なパフォーマンスを向上させ、データ伝送、情報処理、生物医学センシングおよびイメージング技術を進歩させることができます。
光変調と可飽和吸収における有益な特性により、Yu Yao のチームは、合成的に設計された金属とグラフェンのハイブリッドを開発プロセスに組み込みました。
ホットスポットとして知られる材料のナノスケールギャップに光を集中させて吸収を促進する光アンテナアレイを設計し、これらのホットスポットにレーザー光を集中させることで、性能の向上とエネルギー消費の削減を確認しました。 彼らの新しい技術は、赤外レーザー分光法と高速光信号通信（光ファイバーケーブルと衛星通信）に新たな機会を開くでしょう。
02. 軍事
レーザー兵器というと非常に SF の応用のように聞こえます。 今日、米国では超短パルスレーザーが出現しており、多くの人々がこの兵器に注目し続けています。この兵器はすべて 1 ナノ秒未満の光パルスを生成します。この計算モードにより、それは超短パルス光レーザー兵器として知られています。 この兵器によって生成される光のパルスはナノ秒未満であると報告されており、この計算方法によると、これは超短パルス光レーザー兵器と呼ばれており、実際には予想外の範囲にあります。 100万倍のパワー強化、このような有利なプレゼンテーションはさらなる可能性を生み出し、その後の開発と活用のプロセスで、そのパフォーマンスはますます明らかになります。
03. 研究開発
中国科学院上海光学精密機械研究所高出力ファイバーレーザー技術研究所の研究チームは、単一周波数連続レーザーをコヒーレントの高いフェムト秒パルスに変換できる非線形光学利得変調技術を提案した。 この方法は、波長に柔軟な超高速パルスを取得するためのまったく新しい技術手段です。
西安光機械研究所光製造システムおよび応用研究センターは、高出力および大エネルギーの超短レーザーパルス増幅技術の研究を継続しており、研究チームは特殊なガラスファイバーカスケード単結晶ファイバーハイブリッド増幅技術を使用して、100の達成を達成しました。ほぼミリジュールのエネルギー出力のキロヘルツ再周波数超短パルス増幅、最大929マイクロジュールの単一パルスのエネルギーに対応する92.9ワットの最大増幅出力電力、温度勾配ベースの広帯域大分散チャープファイバグレーティングおよび高回折を介してコンプレッサーの高精度分散マッチング、中心波長 1030 nm、超短パルスのスペクトル幅わずか 2.4 nm、335 フェムト秒 (ローレンツ フィッティング フーリエ変換限界パルス幅 325 フェムト秒)、圧縮出力パルス エネルギー最大 800マイクロジュール、2.38 ギガワット以上のピーク電力に相当します。 出力パルスエネルギーは800マイクロジュールで、2.38GW以上のピークパワーに相当します。これは、繰り返し周波数100キロヘルツの単結晶ファイバに基づいて得られる超短パルス出力の最大ピークパワーであり、出力レーザービームがテストされ、ビーム品質係数 (M²) が 1.3 より優れています。
この研究活動は、主要プロジェクトテーマである中国科学院（CAS）の西部若手学者プログラム、陝西省のツーチェーン統合特別プロジェクト、中国の紅光特別プロジェクトの下で、中国国立自然科学財団によって支援されています。中国科学院（CAS）、陝西省科学技術の新星。 研究成果は、科学技術研究、超高速レーザー加工などの分野に新たな効率的な光源技術手段を提供する可能性がある。 www.DeepL.com/Translator で翻訳 (無料版)
