60年的激光技术—接下来是什么?

这是激光和光子学中的三个趋势,在未来的几年中,我们将越来越多地看到这种趋势。

即使在2020年,量子技术仍然是德国政治的关键问题。十二月,总理安格拉·默克尔(Angela Merkel)博士获得了Fraunhofer IOF开发的用于安全通信的光子源。
即使在2020年,量子技术仍然是德国政治的关键问题。十二月,总理安格拉·默克尔(Angela Merkel)博士获得了Fraunhofer IOF开发的用于安全通信的光子源。
(照片:Guido Bergmann)

2020年是全球大流行的主导。当前,许多国家和许多人都在努力保持常规的卫生服务或个人正常呼吸。康纳德·霍尔顿(Conard Holton)写了一篇 谨慎的前景 在不久的将来,我们对这一领域的期望。

如果我们改变视角,看看工业激光器,那么我们可以看到迄今为止它已经非常稳定。 Optech Consulting的Arnold Mayer在电话中告诉我,他预计2020年经济低迷,甚至2021年都有增长的机会。

在他的 最近的展望 他发表了一些非凡的评论。当2009年金融危机期间全球GDP下降时,激光需求下降了45%。这场危机使激光市场处于增长阶段的顶峰。到2020年,随着GDP的下降,GDP可能会减少5%以上。 世界银行估计 十一月。 Mayer认为激光市场仅收缩10%。与2009年形成鲜明对比的是,这种大流行在激光器市场处于低迷时期。梅耶尔甚至看到了微电子加工领域的复苏。我发现特别有趣的一句话是:“尽管商品激光器的价格持续下降,但技术领先者成功地以高价出售了更高规格和质量的激光器。”一分钟后,我们将回到这一点。

激光在60年后成熟吗?

尽管大流行在2020年引起了广泛关注,但60 周年纪念几乎不为人知。发表了许多不错的评论文章,但没有讨论的余地。遗憾的是,由于存在许多明显的问题。正如西奥多·迈曼(Theodore Maiman)所说,激光起初是“寻求问题的解决方案”。 纽约时报 1964年。同时,它征服了许多技术领域:没有激光的影响,任何智能手机,LED屏幕或计算机都无法工作。但是,技术现在处于什么地位?

这是2013年在斯图加特举行的LASYS贸易展上,当时通快首席技术官彼得·雷宾格(Peter Leibinger)将激光称为商品。自那以来,这种趋势一直持续并扩大。我们现在看到技术先锋热情时代的终结了吗?正如阿诺德·梅耶(Arnold Mayer)在其报告中所说,标准激光器的价格正在下降。它始于小型激光打标设备,如今已包括功率超过1 kW的光纤激光器。实际上,这是由供应商数量稳定增长和激光二极管每瓦功率价格的持续下降所驱动的,正如莱宾格早在2013年所展示的那样。

在下文中,我将研究光子学的三个趋势,以了解是否仍然有一些开拓者的精神,以及未来几年我们可能期望的根本变化。

#1趋势:量子技术

我们已经看到很多私人和政府机构 筹资活动 近年来用于各种量子计划。那么,何时才能看到第一台量子加密智能手机?老实说,我预计不会很快到来,但是智能手机巨头三星和韩国电信提供商SK电讯推出了 三星Galaxy A Quantum 到2020年5月。它包括瑞士子公司ID Quantique的量子随机数发生器(QRNG)芯片组。

基于卫星的激光器已经提供了环境数据。在不久的将来,激光将用于量子通信和空间引力波的测量。基于卫星的激光器已经提供了环境数据。在不久的将来,激光将用于量子通信和空间引力波的测量。图片:NASA / Timothy Marvel)

它显示了量子技术带来的巨大技术推动力:光子学集成是该游戏的名称。将量子技术从实验室带到智能手机(或直到ISS,直到LFW的一月号发布,以获取其出色的功能)需要大量的微型化和组件集成。您还记得2000年代初期的IT大肆宣传吗?当时投入电信行业的钱推动了光纤激光技术的发展,光纤激光技术成为工业激光技术的革命者。集成光子学可能会发生类似的影响。

需要集成光子组件以进一步增强服务器场和大数据处理能力。一个可以讨论 光学印刷电路板,以及通过光子学代替电子学的任何其他方式。一旦来自我们常见光纤网络的光信号扩展到机架,板卡和处理器,它可能会节省数据中心的大量能源并加快处理速度。量子技术从一开始就基于光脉冲,例如,它使用微小的光源来产生单光子。对于量子技术和光通信技术而言,推进已建立的用于集成光子组件的光刻工艺都是关键。

这需要多长时间? OSA工业发展协会(OIDA)发布了 量子光子学路线图 今年早些时候。除了量子技术时间表之外,他们还提出了一长串的光学和光子组件要求。因此,量子技术将以各种方式促进光子学发展,这可能需要时间。目前,他们预计技术将发展二十年。达到预期的大小可能需要更长的时间才能满足所有期望。至少当我将对QT的期望与激光技术的早期相比较时,我认为这就是当时人们认为死亡射线将很快将火箭从天上降下来的想法。

趋势2:采用超短激光脉冲的超快材料处理

如果我们看一下进入市场的最新激光系统,那就是超短脉冲(USP)激光。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极其强大的脉冲(短于或短于皮秒)。由于其强度高,它们可以在很短的时间内烧蚀几乎所有材料。在简化视图中,物料在热量散发到周围之前就被吹走了。因此,在相邻材料中很少有受热影响的区域,这就是为什么该过程通常被称为冷烧蚀的原因。

它们当前的局限在于处理速度。每分钟消融一些mm³算得很快。对于某些微处理或超精密任务来说,这很好。但是现在有一些项目正在改变这种状况。在德国弗劳恩霍夫协会的推动下, 卓越先进光子源(CAPS)集群 计划将电源功率平均提高到20千瓦。 2020年,他们开始在耶拿和亚琛的应用实验室中提供10 kW电源用于应用开发。

为了进行应用研究,位于耶拿和亚琛的弗劳恩霍夫研究所的CAPS用户设施为用户提供了各种千瓦范围的超短脉冲激光。为了进行应用研究,位于耶拿和亚琛的弗劳恩霍夫研究所的CAPS用户设施为用户提供了各种千瓦范围的超短脉冲激光。(照片:Fraunhofer IOF)

他们项目的关键点是沿着流程链向实际应用开发技术。这是必不可少的,因为 USP流程知道 正如我在2020年早些时候所写的那样,它对于提高功率来说必不可少。简而言之,以如此高的平均功率引入工件的功率不再可忽略不计,人们必须知道最佳工艺的最佳设置。另一方面,一个人可以使用 多光束技术 以利用增加的脉冲能量。

13个不同的弗劳恩霍夫研究所在CAPS集群中进行协作,使其成为虚拟研究所。他们将努力集中在生产,成像,材料和科学领域。毕竟,他们希望使USP激光器在车间像光纤或CO一样普遍。2 激光已经存在。它们的区别在于它们的亚微米精度,这将打开更多的材料加工领域,例如在机翼上钻一些小孔以减少燃料消耗。但是,由于激光被视为解决问题的解决方案,因此USP激光器有望找到更多的应用。

趋势三:极限光的研究

在2010年的一次采访中,杰拉德·穆鲁(GérardMourou)向我展示了他对极端光的想法。 “迈向毫瓦级激光功率和亚秒级脉冲” 当时听起来很极端,但实际上仍然如此。但与此同时,Mourou成立了Extreme Light Infrastructure ELI,它是东欧三个新研究所的网络,以追求他的想法。当他于2018年获得诺贝尔奖时,大部分基础设施即将完工。如今,所有三个ELI机构现在都可以使用激光系统。它们没有达到十亿瓦级脉冲,但是它们已经并且将继续以各种参数达到世界纪录。他们正在与数量迅速增长的 追求超高强度的激光设备 世界各地。已经显示出10皮瓦的脉冲功率,建议甚至正在建造100 PW。预计到2021年将有新的重点关注记录。

为什么这很重要?原因有很多。正如我在2020年9月访问Magurele的ELI设施时所得知的那样,其中之一是这些研究机构教育着优秀的新型激光操作员,他们直接进入行业并处理激光。此外,还形成了新一代的激光科学家,他们可以学习如何开发复杂的激光系统以及如何进行实验研究。

诺贝尔奖获得者杰拉德·穆鲁(GérardMourou)认为,产生极强脉冲的激光器的前景广阔:“最好的还没有到来,”他在2018年诺贝尔演讲中承诺。诺贝尔奖获得者杰拉德·穆鲁(GérardMourou)认为,产生极强脉冲的激光器的前景广阔:“最好的还没有到来,”他在2018年诺贝尔演讲中承诺。(照片:杰里米·巴兰德(JérémyBarande),法国理工学院,CC BY-SA 2.0)

当然,可以预期会有大量的科学成果。高强度激光可以从相对紧凑的源产生高能光束,电子,质子或其他粒子。已经制定了广泛的材料科学,生物学或医学研究计划来利用这些功能,这些功能有望在其领域中产生巨大的影响。

我发现更有趣的是激光与粒子物理学之间的联系。将激光加速的粒子送入较大的加速器方案中似乎很明显。这样可以节省资金,并有助于避免使用更大的加速器方案。但是,连接两个世界绝非易事。激光人们在考虑聚焦强度和等离子体物理学,而粒子物理学家则在谈论光度和连续光束时间的数月。

目前在德国汉堡的德国电子同步加速器DESY的加速器部门进行了该领域的有趣研究。在2019年加入德国团队之前,其主管Wim Leemans曾在加利福尼亚州的劳伦斯伯克利实验室进行了多年的激光加速研究。他们在汉堡首次展示了24小时运行 激光加速电子源。美国能源部(DOE)最近的一项长期战略规划报告假设,到2035年,基于激光的线性对撞机的概念设计报告将在该报告中提及。 “ 2020年等离子加速器路线图” 全面总结了该领域所取得的成就。许多问题仍然有待解决,但是近年来的进展给我们带来了希望,即从现在起的10年内我们将看到基于激光的电子加速器。

这种希望是由另一个惊人的近期发展所提供的,这一发展既有雄心又有希望。这是激光融合的新尝试。是的,我们谈论基于激光的核聚变用于发电。数十亿美元的国家点火设施的失败如今已在巴伐利亚州一家初创公司的议程上:“ Marvel Fusion”……将提供一种适用于基础负荷聚变电力商业化的新颖方法。他们在其网站上说,Marvel Fusion通往商业聚变能量的途径是基于短脉冲,高能量和高效电的激光器。

漫威融合公司希望在巴伐利亚州的彭茨贝格社区建立第一个测试站点。建筑物的建设计划于2021年5月开始,应于2023年开始运营,因为 当地报纸报道。他们计划投资200到3亿欧元,大约是每个ELI工厂投资的总和。一开始应该有150个人在那里工作, 他们说。一个真正的发电站将产生约20亿欧元的能源输出,并且该建筑将在2030年投入运营。整个努力都得到了私人资金的支持。 杰拉德·穆鲁(GérardMourou)是顾问委员会成员,整个ELI项目的创始人之一格奥尔格·科恩(Georg Korn)被聘为首席技术官。

概要

经过60年的发展,激光研究与开发领域变得敏捷而活跃。我们看到,正在扩大激光作为商品的市场,以及不断发展的新研究领域。这里只提到了几个领域,还有更多领域,例如工业传感或生物医学诊断,我们看到了巨大的进步。

对于未来,激光将向多个方向发展。如果我们考虑量子的话,它将变得更小,功率更低,在某些情况下甚至会降至单光子发射。另一方面,激光将变得越来越强大,直至将微粒从真空中拉出的区域。

似乎似乎已经完成了全新激光器类型的开发,但将现有系统驱动到远远超出其极限的过程中也面临着新的挑战,这将使激光器人员在未来数十年中忙于工作。要么正如有远见的杰拉德·穆鲁(GérardMourou)所承诺的那样,“最好的时刻还没有到来!”

更多关于激光和光源的信息