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Laser Focus World发表“未来激光和光子学三个发展趋势”

发布时间: 2021-01-10 09:37:35   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  

在最新一期的“Laser Focus World”上,LFW主编科纳德·霍尔顿(Conard Holton)发表了一篇关于激光和光子学发展趋势的展望。

趋势1:量子技术

近年来,有许多私人和政府基金为各种量子创新提供资金。何时可以实现第一步量子加密的智能手机?智能手机巨头三星和韩国电信提供商SK电信已经在2020年5月推出了Samsung Galaxy A Quantum计划。计划包括来自瑞士子公司ID Quantique的量子随机数发生器(QRNG)芯片组项目等。

1. 基于卫星的激光器已经可提供环境数据。激光还可用于量子通信和空间引力波的测量

量子技术推动了许多新技术的发展,例如,光子集成。把量子技术从实验室带到智能手机需要大量的小型化和集成组件。20世纪初,电信业的资金大量涌入,促进了光纤激光器技术的发展,使光纤激光器技术成为工业激光技术的变革者。集成光子学也会产生类似的影响。

集成光子组件可以进一步增强服务器和大数据处理的能力。人们可以讨论光学印刷电路板,以及用光子学取代电子学的任何其他方法。一旦普通光纤网络的光信号扩展到机架、线路板和处理器,将为数据中心减少能耗,并提升计算能力。量子技术一开始是基于光脉冲的,它使用微小的光源产生单光子。 推进集成光子组件的光刻工艺将是量子技术和光通信技术的关键。

OSA工业发展协会(OIDA)2020年早些时候发布了量子光子学路线图。除了量子技术时间表外,还提出了很多光学和光子学组件需求。因此,量子技术将以各种方式促进光子学。该路线图着眼于20年的技术发展。虽然它的规模很大,但实现所有期望可能需要更长的时间。

趋势2:超短激光脉冲超快材料加工

最后一个进入市场的新激光系统是超短脉冲(USP)激光器。从物理学的角度来看,它只是一种固态激光器,它使用复杂的技巧来产生小于皮秒的超强脉冲。由于强度高,超强脉冲可以在很短的时间内消融几乎任何材料。在一个简化的视图中,材料首先被“吹走”,随后才是它的热量消散到周围。因此,在相邻材料中很少有热影响区域,这就是为什么这个过程通常被称为冷烧蚀。

目前的局限性在于加工速度,每分钟消融约一立方毫米(mm³)的材料。该速度满足一些微处理或超精密任务。但现在有一些项目正在致力于改变这种状况。在德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)协会的推动下,卓越集群先进光子源(CAPS)计划将源功率平均提高到20千瓦。2020年,该计划开始在耶拿和亚琛的应用实验室提供10k W源进行应用开发。

项目的一个关键点是根据流程链开发技术,以实现实际应用。简而言之,在如此高的平均功率下在工件中引入的功率不再可以忽略,人们必须知道最佳工艺的最佳设置。另一方面,可以利用多光束技术来利用增加的脉冲能量。

13个不同的弗劳恩霍夫(Fraunhofer)研究所在CAPS集群中合作,使其成为一个虚拟研究所。任务分为生产、成像、材料和科学领域。最终目标是USP激光器在车间里像光纤或二氧化碳激光器一样常见。不同之处在于其亚微米精度,这将开辟更多的材料加工领域,如在机翼上钻小孔,以减少燃料消耗。USP激光器有望满足更多应用需求。

2. 弗劳恩霍夫研究所CAPS用户设施在耶拿和亚琛为用户提供各种千瓦范围内的超短脉冲激光器服务应用研究

趋势3:极端光的研究

在2010年的一次采访中,杰拉德·穆鲁(Gerard Mourou)向采访者表述了他对极端光的想法。“关于埃瓦(Exawatt)激光功率和亚阿秒(Sub-attosecond)脉冲”在当时听起来相当极端,实际上现在仍然如此。但穆鲁正在参与欧盟极端光基础设施ELI的建设。当他在2018年被授予诺贝尔奖时,大部分的基础设施即将完成。今天,所有三个ELI研究所现在都有可操作的激光系统。其激光脉冲功率没有达到埃瓦,但已经在在许多参数中突破世界记录。他们正在与世界各地追求超强超短的激光装置竞争。脉冲功率为10PW已经显示,100PW已建议,甚至正在建设。可以预期聚焦强度的新记录将在2021年突破。

该装置的一个重要性是人才培养,一方面,这些研究机构培养优秀的新激光运营商,他们直接转移到工业应用,于此同时,新一代的激光科学家已经形成,他们既学习如何开发复杂的激光系统,也学习如何进行实验研究。

当然,还有大量的科学成果值得期待。高强度激光可以从相对紧凑的光源产生高能光束、电子、质子或其他粒子。目前正在利用这些能力实施关于材料科学和生物或医学等领域的研究项目,预计这些项目的实施将在各自领域产生巨大影响。

作者发现更有趣的是激光和粒子物理之间的相互作用。将激光加速粒子送入更大的加速器方案似乎是显而易见的。这可以节省资金,并有助于避免更大的加速器计划。但要把这两种装置联系起来还远不容易。激光科学家更关心聚焦强度和等离子体物理,粒子物理学家更关心亮度和光束的连续运行时间是否能达到数月。

3. 诺贝尔奖获得者杰拉德·穆鲁(GerardMourou)2018年诺贝尔演讲中说,产生极其强脉冲的激光器有一个巨大的未来:“最好的还没有到来,”

位于德国汉堡的德国电子同步加速器DESY正在进行相关研究。该部门负责人Wim Leemans在2019年加入德国团队之前,在加州劳伦斯伯克利实验室进行了多年的激光加速器研究。在汉堡,他们首次展示了24小时激光加速电子源的操作。美国能源部(DOE)最近的一份长期战略规划报告发布了2035年基于激光的线性对撞机的概念设计报告。“2020年等离子体加速器路线图”中提到了这份报告,其中全面总结了这一领域取得的成就。虽然许多问题仍有待解决,但近年来的进展显示,有望在10年内看到激光电子加速器。

最近,在激光聚变领域有新的计划,这项花费数十亿的国家点火设施失败的项目现在被列入巴伐利亚一家初创公司的议程。迈威聚变(Marvel fusion)网站显示“......将提供一种新的方法,适合于商业化的基底负载(baseload)聚变电源。商业聚变能量的迈威聚变(Marvel fusion)路径是基于短脉冲、高能和电效率激光器”

迈威聚变有望在德国彭茨贝格(Penzberg)巴伐利亚社区建立第一个试验站。据当地报纸报道,试验站的建筑物建设计划于2021年5月开始,并于2023年开始运行。项目计划投资2亿到3亿欧元。他们说,最初应该有150人在那里工作。一个有实际能源产出的真实发电站将耗资约20亿欧元,2030年建设项目将投入使用。整个项目任务都得到了私人资金的支持。杰拉德·穆鲁(Gerard Mourou)是咨询委员会成员,整个ELI项目的创始人之一Georg Korn被聘为首席技术官。

总结

经过60年的发展,激光研发领域发展快速而充满活力。拓展激光作为商品的市场,以及不断发展新的研究领域,两者兼备。这里只提到了几个领域,还有更多的领域,如工业传感或生物医学诊断,也都会有实质性的进展。

对于未来,激光将朝着多个方向发展。对于量子来说,它会变得越来越小,越来越弱,在某些情况下甚至会变成单光子发射。另一方面,激光将变得越来越强,直到它能在真空中产生粒子。

虽然似乎已经完成了全新的激光类型的开发,但在将现有系统远远超越其极限方面依然存在着新的挑战,这将使激光工作人员在未来几十年忙碌。或者,正如有远见的杰拉德·穆鲁所说,“最好的还没有到来!”

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