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    新型飛秒激光器的市場領域

    來源:科信激光  發布時間:2019-06-04

         據悉,科學家日前正在開發一種新型飛秒激光器,相比現有技術而言,對超高強度硼鋼的切割和成型速度快了一千倍。

         根據現有歐洲項目“PULSE”而進行開發的新型超短脈沖激光器不僅能將汽車制造時間縮短三分之二,而且還可將廢品率減少10%,同時還能將底盤成本降低5%。據悉,該技術已獲得歐盟Horizon 2020計劃提供的500萬歐元發展基金的支持。

         由于其高強度而在車身中使用的硼鋼非常耐用,通常難以進行切割或成型。雖然可以使用等離子弧焊炬進行切割,但卻并沒有脈沖激光加工的精確度或速度。PULSE項目協調員Regina Gumenyuk博士表示,目前用于切割硼鋼的激光技術速度太慢,而且無法用于大規模生產。而正在開發的新型飛秒激光器的平均功率為2.5kW,單脈沖功率為100kW,重復頻率高達1GHz,足以對汽車結構中使用的最硬硼鋼進行切割,每分鐘可切割1立方厘米,比目前以每分鐘一立方毫米燒蝕硼鋼的現有技術快一千倍。

         Gumenyuk表示:“通過利用專利保護的錐形雙包層光纖放大器和功率級多通道激光器的獨特特性,PULSE項目將開發出M2 <1.1的無與倫比的高功率光束質量,脈沖能量在2.5-250μJ之間。”新型激光器將提供對車輛零件進行蝕刻模具所需的控制精度,以及改進的數字設計,以減輕車輛底盤的重量,有利于節約燃料并增加電動車輛的使用范圍。

         “買寶石的人,常常為難以辨別寶石的真假而煩惱,用飛秒激光探針打一打,很快就可以探明真偽,這一過程不僅快,而且對寶石的損傷可以忽略。”5月29日,武漢理工大學理學院教授盧景琦向科技日報記者介紹了神奇的飛秒激光探針。最近,盧景琦帶領他的科研團隊剛剛完成了一項研究,用納秒、飛秒以及雙脈沖激光誘導擊穿光譜技術(俗稱激光探針)分別對18組標準煤樣進行了成分和熱值分析。這一研究成果已于近期在《激光與光電子學進展》在線發表。盧景琦感嘆,飛秒激光探針在未來的在線快速檢測領域大有可為。

         簡單的說,就是用激光打到樣品上,激發出等離子體。然后,通過測等離子體的光譜,來獲得樣品中的元素成分和含量,這項技術就是激光誘導擊穿光譜技術。”盧景琦說:大家形象的把它稱為“激光探針”。激光探針是一種新興的光譜分析技術,具有檢測方便、速度快、制樣簡單、可以多元素實時在線檢測等優勢。近十年來激光探針應用研究在石油化工、環境監測、生物醫學、食品安全、礦產探測、文物考古等多個領域不斷擴展。


         2017年,盧景琦帶領團隊開始應用激光探針對煤炭質量進行快速檢測的研究。

         火電廠用煤做燃料,然而煤炭的質量決定了燃燒的效率和污染排放的程度,所以火電廠需要根據煤的質量來調整鍋爐的參數,以提高燃燒效率達到節能減排的效果。盧景琦介紹,為了實現在線檢測,激光探針還沒有出來之前,電廠曾用過中子活化技術,利用中子放射源發射中子激發出γ射線來檢測煤炭中元素和含量。但由于中子源屬于放射性物質,需要專門機構來管理,設備和維護成本都很高,企業往往不愿意使用。

         他們研發出納秒激光探針,已用于煤炭質量快速檢測,只需幾分鐘時間便可以得到結果。盧景琦說,現在納秒激光探針已經是一項成熟技術,其中的核心設備納秒激光器也越來越便宜了,進口的也就20萬元左右。

         “最新的研究成果是納秒、飛秒以及雙脈沖激光探針的比較研究,納秒、皮秒、飛秒脈沖時間都很短,納秒是10-9量級的,到了飛秒速度特別快,10-15量級,還沒等各種熱效應起來的時候激發就結束了,這種超短的時間特性,使得飛秒激光探針能夠很好地避免基體效應和分餾效應。”盧景琦說:從原理上來看,飛秒激光探針應該定量更準、測量更快,對樣品損傷更小。

         但是由于國外飛秒激光器價格昂貴、體積超大,盧景琦研制飛秒激光探針在線檢測的想法一直無法實現。2018年一個偶然的機會得知武漢虹拓新技術公司自主研發的小型飛秒激光器取得突破,盧景琦第一時間與武漢虹拓飛秒激光器研發團隊進行合作,開發出可用于煤炭在線檢測的飛秒激光探針。在對18個含有不同熱值的標準煤樣進行熱值定量分析后,證明飛秒激光探針比納秒激光探針具有更小的連續背景噪聲、單發脈沖光譜強度相對標準偏差更小,說明穩定性更高,可重復性更好,也更加精準。

         盧景琦一直致力于激光技術及激光應用領域的研究開發,曾在跨國公司做了6年多的生物成像產品研發,對于激光技術的應用和精密光學儀器設計積累了豐富的經驗。盧景琦還將飛秒激光探針用于土壤檢測試驗,用于分析土壤中的重金屬污染。他說,應用的領域非常多,比如油井礦物成分的分析,以及水資源、空氣污染的檢測等等。國家現在對土壤監測需求量特別大,把土壤樣品都送到實驗室去檢測比較麻煩,盧景琦設想將來做一套車載系統可以實現移動檢測。

         “這是一個具有巨大潛力的產業,也是各國正在搶占的技術高地。”盧景琦非常看好飛秒激光探針技術,他對科技日報記者說,隨著以武漢虹拓為代表的我國自主飛秒激光器的創新突破,價格會大幅降低,飛秒激光探針的普及指日可待。他希望國內通過產學研集群式創新,加快飛秒激光探針在各個領域的應用,從而打造中國自主領先的飛秒激光探針產業。

         飛秒激光有什么用途呢?眾所周知,物質是由分子和原子組成的,但是它們不是靜止的,都在快速地運動著,這是微觀物質的一個非常重要的基本屬性。飛秒激光的出現使人類第一次在原子和電子的層面上觀察到這一超快運動過程。基于這些科學上的發現,飛秒激光在物理學、生物學、化學控制反應、光通訊等領域中得到了廣泛應用。特別值得提出的是,由于飛秒激光具有快速和高分辨率特性,它在病變早期診斷、醫學成象和生物活體檢測、外科醫療及超小型衛星的制造上都有其獨特的優點和不可替代的作用。

         在微加工領域,由于其對材料周圍影響極小,能安全的切割,打孔、雕刻,甚至應用于集成電路的光刻工藝中。在國防領域,飛秒激光應用在安全切割高爆炸藥,拆除廢舊退役的火箭,炮彈等。在醫學領域,飛秒激光像一把精密的手術刀,用于治療近視,美容等方面。在生物學領域,飛秒激光轟擊細胞 DNA,使其發生突變,用于研究基因變化的各種影響。 在環境領域,飛秒激光 LIBS 技術測量大氣污染成分,檢測環境污染水平。在科研領域,飛秒激光更是無處不在。隨著飛秒激光技術的發展,飛秒激光能在更多領域獲得更多的應用。

         物質在高強度飛秒激光的作用下會出現非常奇特的現象:氣態、液態、固態的物質瞬息間變成了等離子體。這種等離子體可以輻射出各種波長的射線的激光。高功率飛秒激光與電子束碰撞能夠產生硬X射線飛秒激光,產生β射線激光,產生正負電子對。
    高功率飛秒激光在醫學、超精細微加工、高密度信息儲存和記錄方面都有著很好的發展前景。高功率飛秒激光還可以將大氣擊穿,從而制造放電通道,實現人工引雷,避免飛機、火箭、發電廠因天然雷擊而造成的災難性破壞。利用飛秒激光能夠非常有效地加速電子,使加速器的規模得到上千倍的壓縮。高功率飛秒激光與物質相互作用,能夠產生足夠數量的中子,實現激光受控核聚變的快速點火。從而為人類實現新一代能源開辟一條嶄新的途徑。



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