أصبح الليزر جزءًا لا يتجزأ من عدد لا يحصى من الأجهزة والصناعات. عندما يتفاعل شعاع الليزر مع سطح مادة نانوية ، فإنه يصدر موجة من الضوء تعرف باسم "مأكل الطحالب" ، ويمكن لخصائص مأكل مثل هذا النوع من الطعام أن تنقل المعلومات. في الإرسال البصري ، يضخ الليزر الضوء إلى مكون يسمى "ممتص قابل للإشباع" لإنتاج إشارة ضوئية.
تتمتع تقنية الليزر أيضًا بمجموعة واسعة من الاستخدامات في المعالجة الصناعية ، مثل التنظيف الدقيق للمكونات ، والقطع واللحام عالي الطاقة ، والصناعات الدقيقة مثل الحفر ، والكشط ، والطحن الدقيق ، والتلميع ، والقطع ، والقوام ، والتجريد ، والعزل. في مجال التصنيع الصناعي ، حاول المهندسون منذ وقت طويل استخدام الليزر في التصنيع الميكروي. ومع ذلك ، نظرًا لعرض النبضة الطويلة وشدة الليزر المنخفضة التي تسبب ذوبان المادة واستمرار التبخر ، على الرغم من إمكانية تركيز شعاع الليزر في بقعة صغيرة جدًا ، فإن التأثير الحراري على المادة لا يزال كبيرًا ، مما يحد من الدقة من العملية. الطريقة الوحيدة لتحسين جودة المعالجة هي تقليل التأثير الحراري. عند الحاجة إلى دقة ميكرون واحد ، فإن الليزر النبضي فائق القصر هو أفضل أداة للتنظيف الدقيق ، والتلميع عالي الدقة ، ولحام السطح ، أو تعديل كميات كبيرة من المواد بأي طريقة أخرى.
الليزر النبضي فائق القصر عبارة عن ليزر نابض يكون عرض نبضات الليزر الناتج في فئة البيكو ثانية (10-12 ثانية) ، أو أقل من فئة البيكو ثانية. اعتمادًا على عرض نبضة الليزر الناتج ، يمكن تصنيف ليزر النبضات الفائقة القصر إلى ليزر بيكو ثانية وليزر فيمتوثانية وليزر أتو ثانية. تزيد الليزر النبضي فائق القصر من طاقة النبضات العالية لتغيير استجابة الجسم الخفيف بشكل كبير. بشكل عام ، كلما كان عرض النبضة أضيق ، زادت دقة المعالجة.
عندما يتم تطبيق الليزر على المادة مع أوقات النبض بترتيب البيكو ثانية ، تتغير نتائج المعالجة بشكل كبير. مع ارتفاع طاقة النبض بشكل كبير ، تكون كثافة الطاقة العالية كافية لتجريد الطبقة الخارجية من الإلكترونات. نظرًا لقصر مدة تفاعل الليزر مع المادة ، يتم استئصال الأيونات من سطح المادة قبل نقل الطاقة إلى المادة المحيطة ، مع عدم وجود تأثير حراري على المادة المحيطة ، ومن هنا جاء مصطلح "المعالجة الباردة".
عندما يتم تطبيق الليزر على سطح مادة في نبضات فيمتوثانية ، يمكن أن ينتج الليزر طاقة متوسطة تصل إلى كيلووات ، مع عرض نبضة في حدود بضع مئات من الفمتوثانية (fs). عند ترددات التكرار بترتيب من 1 كيلو هرتز إلى 100 ميجاهرتز ، يمكن أن تمتد طاقة النبض من ميللي جول (mJ) إلى nano-joule (nJ) من حيث الحجم ، ويمكن أن تكون قوة النبض القصوى عالية مثل ترتيب GW إلى TW من ضخامة.
يتيح هذا المزيج من طاقة النبض العالية ، وقوة النبض العالية ، وتردد تكرار النبض العالي معالجة فعالة للهياكل الميكانيكية التي تكون أدق بكثير من الليزر النبضي المستمر أو الطويل.
يتم حقن طاقة معالجة النبضات فائقة القصر بسرعة كبيرة في منطقة صغيرة من العمل ، ويؤدي ترسب كثافة الطاقة العالية الفورية إلى تغيير في طريقة امتصاص الإلكترونات وحركتها ، وتجنب تأثيرات امتصاص الليزر الخطي ، ونقل الطاقة ، والانتشار ، والتغيير الأساسي. آلية تفاعل مادة الليزر. كما هو الحال مع المعالجة بالليزر المعممة ، والتي لا تلامس ، يوفر استخدام الليزر النبضي فائق القصر مزايا فريدة في التصنيع الميكروي ، بما في ذلك دقة الأبعاد المحسنة والتفاوتات الأكثر إحكامًا ، وتقليل الضرر وإزالة خطوات المعالجة اللاحقة.
هذه التقنية السوداء لها تطبيقات مهمة لليزر النبضي فائق القصر في مجموعة واسعة من المجالات مثل البحث الأساسي والمعالجة الصناعية والاتصالات الضوئية ، ويجري حاليًا بحثها بشكل مكثف من قبل الدول الكبرى كوسيلة لتحقيق التقدم التكنولوجي.
تقدم البحث والتطوير في مختلف المجالات
01. الاتصالات
في الآونة الأخيرة ، صممت يو ياو ، الأستاذة المساعدة في الهندسة الكهربائية في جامعة ولاية أريزونا ، وفريقها البحثي في مركز ابتكار الضوئيات بجامعة ولاية أريزونا ، عنصر ليزر نانوي أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة يسمى ممتص التشبع النقلي الهجين من الجرافين والبلازما ، أو GPSMA باختصار ، تمتلك GPSMA تطبيقات محتملة في صناعات مثل الاتصالات ومعالجة المعلومات والتحليل الطيفي والطب الحيوي. يمكن استخدام جهاز الامتصاص لتحسين السرعة والكفاءة والأداء العام لتعزيز نقل البيانات ومعالجة المعلومات والاستشعار الطبي الحيوي وتقنيات التصوير.
نظرًا لخصائصه المفيدة في التعديل البصري والامتصاص القابل للإشباع ، قام فريق Yu Yao بدمج مزيج هجين من الجرافين المعدني هندسيًا في عملية التطوير الخاصة بهم.
من خلال تصميم صفيف هوائي بصري يركز الضوء على فجوات المواد النانوية ، والمعروفة باسم النقاط الساخنة ، لتعزيز الامتصاص ، ومن خلال تركيز ضوء الليزر على هذه النقاط الساخنة ، لاحظوا تحسن الأداء وانخفاض استهلاك الطاقة. ستفتح تقنيتهم الجديدة فرصًا جديدة للتحليل الطيفي بالليزر بالأشعة تحت الحمراء واتصالات الإشارات الضوئية عالية السرعة (كابلات الألياف الضوئية والاتصالات عبر الأقمار الصناعية).
02. العسكرية
يبدو سلاح الليزر وكأنه تطبيق خيال علمي للغاية. اليوم ، ظهرت في الولايات المتحدة الآن ليزر نبضي قصير للغاية ، وكان الكثير من الناس يولون اهتمامًا مستمرًا لهذا السلاح ، الذي ينتج نبضات ضوئية تقل جميعها عن نانوثانية واحدة ، وهو أمر متوقع حقًا عندما تنظر من خلال هذا الوضع الحسابي يُعرف باسم سلاح الليزر الخفيف النبضي القصير جدًا. يُذكر أن نبضات الضوء التي ينتجها هذا السلاح أقل من نانوثانية ، من خلال هذا النمط من الحساب ، انظر إلى الأسفل ، يطلق عليه سلاح الليزر الخفيف النبضي الخفيف ، وهو أيضًا في النطاق غير المتوقع. إن تعزيز القوة بمقدار مليون مرة ، مثل هذا العرض المفيد يخلق المزيد من الاحتمالات ، في عملية التطوير والاستخدام اللاحقة ، سيكون الأداء أكثر وضوحًا.
03. البحث والتطوير
اقترح فريق البحث في مختبر تكنولوجيا الألياف الليزرية عالي الطاقة ، معهد شنغهاي للبصريات والآلات الدقيقة ، الأكاديمية الصينية للعلوم ، تقنية تعديل الكسب البصري غير الخطي التي يمكنها تحويل الليزر المستمر أحادي التردد إلى نبضات فيمتوثانية متماسكة للغاية. هذه الطريقة هي وسيلة تقنية جديدة للحصول على نبضات فائقة السرعة ذات أطوال موجية مرنة.
معهد شيان للآلات البصرية مركز أبحاث أنظمة التصنيع والتطبيقات الضوئية يواصل البحث في أبحاث تكنولوجيا تضخيم نبض الليزر فائقة القصر والطاقة العالية والطاقة الكبيرة ، استخدم فريق البحث تقنية تضخيم هجينة من الألياف الزجاجية أحادية الألياف متتالية خاصة ، لتحقيق 100 كيلوهرتز إعادة تردد تضخيم نبضي فائق القصر لإخراج طاقة مليجول تقريبًا ، أقصى طاقة خرج مضخّمة تبلغ 92.9 واط ، تتوافق مع طاقة نبضة واحدة تصل إلى 929 ميكرو جول ، من خلال تشتيت واسع النطاق قائم على التدرج الحراري ، مقضب الألياف الصقيع والحيود العالي محزوز الكفاءة لمطابقة التشتت الدقيق للضاغط ، الطول الموجي المركزي 1030 نانومتر ، العرض الطيفي 2.4 نانومتر فقط من ضغط النبضات فائقة القصر إلى 335 فمتوثانية (تركيب لورينتز يحد تحويل فورييه لعرض النبضة من 325 فيمتوثانية) ، طاقة نبضة مضغوطة تصل إلى 800 ميكرو جول ، يتوافق مع ذروة الطاقة لأكثر من 2.38 جيجاوات. تبلغ طاقة النبض الناتج 800 ميكرو جول ، وهو ما يقابل طاقة ذروة تزيد عن 2.38 جيجاوات ، وهي أكبر قوة ذروة لمخرجات النبضات فائقة القصر التي يتم الحصول عليها بناءً على ألياف أحادية البلورة بتردد تكرار يبلغ 100 كيلوهرتز ، وجودة يتم اختبار شعاع الليزر الناتج ، وعامل جودة الشعاع (M²) أفضل من 1.3.
تم دعم هذا العمل البحثي من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين في إطار موضوع المشروع الرئيسي ، برنامج الباحثين الشباب الغربيين التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (CAS) ، والمشروع الخاص للتكامل بين سلسلتين في مقاطعة شنشي ، ومشروع هونغقوانغ الخاص في الأكاديمية الصينية للعلوم (CAS) ، والنجمة الجديدة للعلوم والتكنولوجيا لمقاطعة شنشي. يمكن أن توفر نتائج البحث وسائل تقنية جديدة وفعالة لمصادر الضوء للبحث العلمي والتكنولوجي ومعالجة الليزر فائقة السرعة وغيرها من المجالات. مترجم مع www.DeepL.com/Translator (نسخة مجانية)
