激光正成為無數(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材料表面相互作用時，它會發(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，激光將光泵入一個稱為“可飽和吸收器”的部件，以產(chǎn)生光信號。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)到一微米的時候，超短脈沖激光對于精密清洗、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說是最棒的工具。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）級別、或小于皮秒級別的脈沖激光。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)激光以納秒量級的脈沖時間進(jìn)行工作時，可以實現(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)激光以皮秒量級的脈沖時間作用到材料上時，加工效果會發(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，不會給周圍的材料帶來熱影響，因此也被稱為“冷加工”。
當(dāng)激光以飛秒的脈沖時間作用于材料表面時，激光器可以輸出具有高達(dá)千瓦量級的平均功率，幾百飛秒（fs）量級以下的脈沖寬度。在重復(fù)頻率為1kHz至100MHz量級的情況下，其脈沖能量可以跨越毫焦（mJ）至納焦（nJ）量級，脈沖峰值功率可以高達(dá)GW至TW量級。
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，屬于無接觸式加工，使用超短脈沖激光在微加工中特有優(yōu)勢，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，目前各大國正在加緊研究，以此實現(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)隊設(shè)計了一種更快、更節(jié)能的納米級激光元件，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)隊在他們的開發(fā)過程中加入了一種人工工程金屬-石墨烯混合材料。他們通過設(shè)計一種光學(xué)天線陣列，將光聚焦到材料的納米級間隙，即所謂的熱點，以促進(jìn)吸收，通過將激光聚焦在這些熱點上，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。激光武器聽起來就是一種非常科幻化的應(yīng)用。如今，美國現(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，通過這種計算模式看下來，它被稱為超短脈沖光激光武器，也確實在意料范圍之中。據(jù)悉，這款武器所產(chǎn)生的脈沖光都是小于一納秒的，通過這種計算模式看下來，它被稱為超短脈沖光激光武器，也確實在意料范圍之中。功率增強(qiáng)100萬倍，這樣的優(yōu)勢呈現(xiàn)創(chuàng)造了更多的可能，在后續(xù)的發(fā)展和運(yùn)用過程當(dāng)中，表現(xiàn)也會越發(fā)明顯。中國科學(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)實驗室研究團(tuán)隊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)隊采用特種玻璃光纖級聯(lián)單晶光纖的混合式放大技術(shù)，實現(xiàn)了100千赫茲重頻下近毫焦級能量的超短脈沖放大輸出，最大放大輸出功率92.9瓦，對應(yīng)單脈沖能量達(dá)929微焦，通過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壓縮器進(jìn)行精密的色散匹配，將中心波長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，對輸出的激光光束質(zhì)量進(jìn)行測試，光束質(zhì)量因子（M2）優(yōu)于1.3。該項研究工作獲得了國家自然科學(xué)基金重大項目課題、中科院西部青年學(xué)者項目、陜西省兩鏈融合專項、中科院弘光專項、陜西省科技新星等項目支持。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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