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飞秒激光未来有望在焊接领域攻破这个难题
时间:2017-11-13 17:05:38  来源:  作者:

飞秒激光是一种以脉冲形式运转的激光,持续时间非常短,只有几个飞秒,一飞秒就是10的负15次方秒,也就是1/1000万亿秒,它比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍,几乎是人类目前在实验条件下所能获得的最短脉冲。飞秒激光能否攻破玻璃焊接难题?

 

飞秒激光有非常高的瞬时功率,可达到百万亿瓦,比目前全世界发电总功率还要多出百倍。飞秒激光的第三个特点是,它能聚焦到比头发的直径还要小的空间区域,使电磁场的强度比原子核对其周围电子的作用力还要高数倍。

飞秒激光的这些特性是如何实现的呢?高功率飞秒激光系统由四部分组成:振荡器、展宽器、放大器和压缩器。在振荡器内,利用一种特殊技术获得飞秒激光脉冲。展宽器将这个飞秒种子脉冲按不同波长在时间上拉开。

放大器使这一展宽的脉冲获得充分能量。压缩器把放大后的不同成分的光谱再会聚到一起,恢复到飞秒宽度,从而形成具有极高瞬时功率的飞秒激光脉冲。

飞秒激光有什么用途呢?

众所周知,物质是由分子和原子组成的,但是它们不是静止的,都在快速地运动着,这是微观物质的一个非常重要的基本属性。飞秒激光的出现使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。

基于这些科学上的发现,飞秒激光在物理学、生物学、化学控制反应、光通讯等领域中得到了广泛应用。特别值得提出的是,由于飞秒激光具有快速和高分辨率特性,它在病变早期诊断、医学成象和生物活体检测、外科医疗及超小型卫星的制造上都有其独特的优点和不可替代的作用。

物质在高强度飞秒激光的作用下会出现非常奇特的现象:气态、液态、固态的物质瞬息间变成了等离子体。这种等离子体可以辐射出各种波长的射线的激光。高功率飞秒激光与电子束碰撞能够产生硬X射线飞秒激光,产生β射线激光,产生正负电子对。

高功率飞秒激光在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录方面都有着很好的发展前景。高功率飞秒激光还可以将大气击穿,从而制造放电通道,实现人工引雷,避免飞机、火箭、发电厂因天然雷击而造成的灾难性破坏。

利用飞秒激光能够非常有效地加速电子,使加速器的规模得到上千倍的压缩。高功率飞秒激光与物质相互作用,能够产生足够数量的中子,实现激光受控核聚变的快速点火。从而为人类实现新一代能源开辟一条崭新的途径 。

飞秒激光是过去20年间由激光科学发展起来的最强有力的新工具之一。飞秒脉冲是如此的短,目前已经达到了4fs以内。1飞秒(fs) ,即10-15s ,仅仅是1千万亿分之一秒,如果将10fs作为几何平均来衡量宇宙,其寿命仅不过1min而已;飞秒脉冲又是如此之强,采用多级啁啾脉冲放大(CPA)技术获得的最大脉冲峰值功率可达到百太瓦(TW,即1012W)甚至拍瓦(PW,即1015W)量级,其可聚焦强度比将太阳辐射到地球上的全部光聚焦成针尖般大小后的能量密度还要高。飞秒激光完全是人类创造的奇迹。

近二十年来,从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器,以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器,虽然说脉冲宽度和能量的记录在不断刷新,但最大进展莫过于获得超飞秒脉冲变得轻而易举了。

桑迪亚国家实验室的R.Trebino说:“过去10年中, (超快)技术已有显着改善, 钛蓝宝石激光器和现在的光纤激光器正在使这种(飞秒) 激光器的运转变得简洁和稳定。这种激光器现在人们已可买到, 而10年前, 你却必须自己建立。”

比如,着名的飞秒激光系统生产商美国Clark-MXR公司将产生高功率飞秒脉冲的所有部件全部集成到一个箱子里,采用掺铒光纤飞秒激光器作为种子源,加上无需调整(NO Tweak)的特殊设计,形成了世界上独一无二,超稳定、超紧凑的CPA2000系列钛宝石啁啾脉冲放大系统。这种商品化的系统不需要飞秒专家来操作,完全可以广泛应用于科研和工业上的许多领域里。

根据飞秒激光超短和超强的特点,大体上可以将应用研究领域分成超快瞬态现象的研究和超强现象的研究。它们都是随着激光脉冲宽度的缩短和脉冲能量的增加而不断的得以深入和发展。

飞秒脉冲激光的最直接应用是人们利用它作为光源, 形成多种时间分辨光谱技术和泵浦/探测技术。

它的发展直接带动物理、化学、生物、材料与信息科学的研究进入微观超快过程领域, 并开创了一些全新的研究领域, 如飞秒化学、量子控制化学、半导体相干光谱等。飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合, 使人们可以研究半导体的纳米结构(量子线、量子点和纳米晶体)中的载流子动力学。

在生物学方面,人们正在利用飞秒激光技术所提供的差异吸收光谱、泵浦/ 探测技术, 研究光合作用反应中心的传能、转能与电荷分离过程。超短脉冲激光还被应用于信息的传输、处理与存贮方面。

第一台利用啁啾脉冲放大技术实现的台式太瓦激光的成功运转始于1988年,这一成果标志着在实验室内飞秒超强及超高强光物理研究的开始。

在这一领域研究中,由于超短激光场的作用已相当于或者大大超过原子中电子所受到的束缚场,微扰论已不能成立,新的理论处理有待于发展。在1020W/ cm2的光强下,可以实现模拟天体物理现象的研究。

飞秒激光能否攻破玻璃焊接难题?

前不久由OFweek中国高科技行业门户主办,OFweek激光网承办的“OFweek 2017(第十三届)中国先进激光技术及应用研讨会”在深圳正式举办。中国科学院上海光机所赵全忠教授在“飞秒激光焊接玻璃”主题演讲中,重点介绍了飞秒激光技术及其应用。

据赵全忠教授介绍:“玻璃焊接被认为是焊接领域一大难题。这主要是由于激光能量很难被透明材料吸收,玻璃材料硬脆难于加工,另外热效应将影响玻璃通透性。相对于紫外激光焊接,由于飞秒激光的多光子吸收效应只在焦点位置发生反应,因此飞秒激光焊接正成为玻璃焊接的有效解决方案。”

飞秒激光焊接玻璃主要是通过将激光聚焦在玻璃连接处,通过调节飞秒激光脉冲能量及扫描速度等参数,在玻璃表面形成熔化效应从而使得玻璃焊接在一起。随着集成化发展,往往需要玻璃与半导体及金属等材料焊接,飞秒激光未来在这些焊接领域有望实现进一步突破。

 

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