Revisão e perspectiva de máquina de marcação a laser

A palavra "laser" é uma tradução literal de "LASER". LASER era originalmente um termo especial composto pelas iniciais de Amplificação de luz por emissão estimulada de radiação. No meu país, foi traduzido como "Laser", "Laser de Luz", "Amplificador de Emissão Estimulada por Luz", etc. Em 1964, o Acadêmico Qian Xuesen propôs o nome "laser", que não reflete apenas a conotação científica de "estimulado emissão", mas também mostra que é uma nova fonte de luz muito forte. É apropriado, vívido e conciso, e foi unanimemente reconhecido e utilizado pela comunidade científica do meu país.
Desde o desenvolvimento bem-sucedido do primeiro laser da China em 1961, com os esforços conjuntos de unidades de pesquisa científica, ensino, produção e uso de laser em todo o país, meu país formou um campo de tecnologia laser com categorias completas, nível avançado e ampla aplicação, e tem fiz progressos gratificantes na industrialização, fazendo contribuições positivas para a ciência e tecnologia do meu país, a economia nacional e a construção da defesa nacional, e também conquistou um lugar na arena internacional.
Em 1957, Wang Daheng e outros estabeleceram o primeiro instituto profissional de pesquisa óptica em meu país em Changchun, o Instituto de Óptica, Instrumentos de Precisão e Mecânica da Academia Chinesa de Ciências (Changchun) (abreviado como "IOM"). Sob a liderança da geração mais velha de especialistas, um grupo de jovens trabalhadores científicos e tecnológicos cresceu rapidamente, e Deng Ximing foi um representante proeminente entre eles. Já em 1958, logo após a publicação do famoso artigo sobre o princípio do laser dos físicos americanos Schawlow e Townes, ele defendeu ativamente o desenvolvimento desta nova tecnologia e, em um curto período de tempo, reuniu uma equipe de jovens e médios pesquisadores idosos com espírito inovador e apresentaram um grande número de ideias e esquemas experimentais para melhorar o brilho, a cor unitária e a coerência das fontes de luz. Em 1960, foi lançado o primeiro laser do mundo. No verão de 1961, sob a liderança de Wang Zhijiang, o primeiro laser de rubi do meu país foi desenvolvido com sucesso. Nos anos seguintes, a tecnologia laser desenvolveu-se rapidamente e produziu uma série de conquistas avançadas. Vários tipos de lasers sólidos, gasosos, semicondutores e químicos foram desenvolvidos com sucesso. Na pesquisa básica e nas tecnologias-chave, uma série de novos conceitos, métodos e tecnologias (como mutação Q de cavidade e modulação Q de espelho, amplificação de ondas viajantes, uso de íons de rênio, radiação de oscilação de elétrons livres, etc.) foram propostas e implementadas. , muitos dos quais são originais.
Ao mesmo tempo, como uma nova fonte de luz com excelentes características como alto brilho, alta diretividade e alta qualidade, os lasers foram rapidamente aplicados em diversas áreas técnicas, mostrando forte vitalidade e competitividade. Em termos de comunicações, em Setembro de 1964, foram utilizados lasers para demonstrar a transmissão de imagens televisivas e, em Novembro de 1964, foram alcançadas chamadas de 3-30 km. Em termos industriais, em maio de 1965, as puncionadeiras a laser foram utilizadas com sucesso na produção de puncionamento e trefilagem, obtendo benefícios econômicos significativos. Na medicina, em junho de 1965, soldadores de retina a laser foram testados em animais e clinicamente. Em termos de defesa nacional, em dezembro de 1965, um telêmetro de reflexão difusa a laser (com precisão de 10 metros/10 quilômetros) foi desenvolvido com sucesso, e em abril de 1966, um velocímetro Doppler laser pulsado controlado remotamente foi desenvolvido.
Pode-se dizer que na fase inicial a tecnologia laser do meu país desenvolveu-se rapidamente e tanto a quantidade como a qualidade estavam próximas do nível internacional da época. É raro na história do desenvolvimento científico e tecnológico moderno no meu país que uma tecnologia inovadora consiga alcançar tão rapidamente as posições avançadas do mundo. Estas conquistas, especialmente a capacidade de transformar suavemente ideias físicas e soluções técnicas em dispositivos laser reais, devem-se principalmente às capacidades abrangentes e à base sólida acumulada pelo Instituto de Óptica e Mecânica em óptica técnica, maquinaria de precisão e tecnologia electrónica ao longo dos anos. É difícil criar um clima para o desenvolvimento de uma nova tecnologia sem apoio técnico suficiente.
A indústria de ciência e tecnologia do laser recebeu grande atenção dos departamentos de liderança e gestão científica desde o início. Naquela época, Zhang Jinfu, vice-presidente da Academia Chinesa de Ciências, propôs a ideia de estabelecer um instituto profissional de pesquisa em laser, que logo foi aprovado pela Comissão Estatal de Ciência e Tecnologia e pela Comissão Estatal de Planejamento. O vice-primeiro-ministro Nie Rongzhen, responsável pela ciência e tecnologia, também instruiu especialmente: O instituto deve ser construído em Xangai, que tem uma boa base industrial e é propício ao desenvolvimento desta nova tecnologia.
O sistema de laser de vidro de neodímio de alta energia "6403" lançado em 1964, o sistema de laser de alta potência e a pesquisa de fusão nuclear começaram em 1965, e o desenvolvimento de 15 tipos de máquinas a laser militares formuladas em 1966, devido à sua abrangência e alta dificuldade , impulsionaram e promoveram efetivamente o desenvolvimento da tecnologia laser na China. Embora a indústria de ciência e tecnologia laser do meu país também tenha sofrido a catástrofe da "Revolução Cultural", ainda sobreviveu com dificuldade e fez progressos valiosos com o apoio de projectos-chave.
1 O sistema laser de vidro de neodímio de alta energia "6403" foi lançado em 1964. Finalmente, foi determinado do ponto de vista técnico que o efeito térmico era um obstáculo técnico fundamental e foi descontinuado em 1976. A contribuição histórica deste projeto para o o desenvolvimento da tecnologia laser de alta energia não pode ser ignorado. Elevou a tecnologia laser do meu país a um nível superior. Suas conquistas se manifestam principalmente em:
(1) Foi construído um sistema laser de amplificação de oscilação de grande calibre (120 mm) com escala de engenharia, com energia máxima de saída de 320,000 joules; depois de melhorar a qualidade do feixe, atingiu 30,000 joules.
(2) A integração da tecnologia do sistema foi alcançada e o experimento de tiro ao alvo foi realizado com sucesso. O alvo de alumínio de 80 mm foi penetrado a 10 metros em ambientes internos e o alvo de alumínio de 0,2 mm foi penetrado a 2 quilômetros em ambientes externos. Os efeitos biológicos e o mecanismo de dano material da forte radiação laser foram estudados sistematicamente.
(3) Pela primeira vez, foram revelados o fenômeno e o mecanismo de dano luminoso ao próprio sistema laser por luz forte.
(4) Pela primeira vez, a importância e a conotação física da qualidade do feixe de laser foram profundamente compreendidas, e uma série de tecnologias inovadoras para melhorar a qualidade do feixe foram adotadas, como lasers de cavidade instável de nível de 10,000 joule, lasers de folha, sistemas de laser de amplificação de varredura de oscilação e diagnóstico de qualidade de feixe em cunha.
(5) Os componentes do laser e as tecnologias de suporte fizeram melhorias inovadoras, como processo de fusão de vidro de neodímio de baixa absorção e alta uniformidade, xenônio pulsado de alta energia, filme dielétrico de alta resistência, processamento de precisão óptica de grande calibre (1,2 metros), etc.
(6) Um grupo de equipes técnicas de base foi cultivado e treinado.
1. Sistema de laser de alta potência e pesquisa de fusão nuclear Em 1964, Wang Ganchang propôs independentemente a iniciativa de fusão a laser, e o projeto foi estabelecido em 1965 para iniciar a pesquisa. Após vários anos de trabalho árduo, um dispositivo laser de nanossegundos com uma potência de saída de 10 (sobrescrito 10) watts foi construído e, em maio de 1973, os nêutrons foram produzidos pela primeira vez em alvos de deutério sólido de baixa temperatura, alvos de deutereto de lítio em temperatura ambiente e polietileno deuterado. Em 1974, o primeiro amplificador de chip multipassagem do meu país foi desenvolvido com sucesso, o que aumentou a potência de saída do laser em 10 vezes e o rendimento de nêutrons em uma ordem de grandeza. Depois que o princípio internacional da compressão centrípeta foi decifrado, seguimos ativamente e desenvolvemos um sistema de laser de seis feixes em 1976, irradiando o alvo do invólucro de vidro cheio de gás e alcançando quase 100 vezes de compressão de volume. Esta série de grandes avanços permitiu que a pesquisa de fusão a laser do meu país entrasse nas fileiras avançadas do mundo e lançou as bases para o desenvolvimento sustentável a longo prazo no futuro.
2. Pesquisa de laser militar Em dezembro de 1966, a Comissão Nacional de Ciência e Tecnologia de Defesa organizou uma reunião de planejamento de laser militar, com a participação de mais de 130 pessoas de 48 unidades. A reunião formulou um plano de desenvolvimento incluindo 15 tipos de máquinas completas a laser e 9 tecnologias de suporte. Embora não tenha sido oficialmente aprovado, ainda desempenhou um papel benéfico na promoção do desenvolvimento. Nos anos seguintes, uma série de conquistas importantes surgiram neste campo. Por exemplo:
(1) O teste inicial da tecnologia de distância a laser de alcance alvo foi bem-sucedido: usando um laser YAG Q-switched com frequência de repetição de 20 Hz, a precisão do alcance foi melhor que 2 metros e a distância máxima de medição foi de 660 quilômetros. Quando adicionado ao teodolito, ele pode alcançar a determinação da órbita de uma única estação do alvo voador. Esta conquista criou as condições necessárias para a posterior conclusão da medição da trajetória da fase de reentrada do míssil intercontinental.
(2) Alcance do satélite a laser Ruby: mediu com sucesso os satélites experimentais dos EUA Expl-27, 29 e 36, com a distância máxima mensurável de 2.300 quilômetros e uma precisão de cerca de 2 metros. Esta é a primeira geração de resultados de alcance de satélite artificial, estabelecendo as bases para o futuro satélite artificial que alcança distâncias maiores e maior precisão.
(3) Radar a laser Ruby e radar a laser infravermelho aerotransportado, pela primeira vez realizaram o rastreamento e alcance de aeronaves terra-ar e ar-ar.
(4) Instrumento de levantamento aéreo a laser: Combinando telêmetro a laser e câmera aérea, a aeronave realiza levantamento terrestre para completar o mapeamento de áreas remotas e outros terrenos complexos. A taxa de repetição é de 6 vezes/minuto e a precisão do alcance é de 1 metro.
(5) Telêmetro a laser de canhão terrestre: pode completar de forma independente as funções de observação, alcance, medição de ângulo (direção e ângulo de elevação) e orientação da agulha magnética. O alcance é de 300-10,000 metros e a precisão é de 5 metros. Em termos de aplicações de laser, a comunicação a laser Nd:YAG (3-12 canais), a comunicação a laser He-Ne e a comunicação a laser semicondutor de canal único/três canais foram bem-sucedidas em testes de comunicação; equipamentos médicos como bisturis a laser Nd:YAG, bisturis a laser CO2 e instrumentos de iridectomia a laser também foram colocados em uso; holografia a laser, a aplicação da holografia a laser na fotoelasticidade plana, holografia dinâmica a laser pulsado e espectrofotômetros Raman tornaram-se novos meios de ciência metrológica; Máquinas de corte a laser CNC, colimadores a laser, separação a laser de enxofre isotópico, lasers líquidos para pesquisa agrícola e telas de navegação em tela grande também foram aplicadas na indústria e na agricultura. Na Conferência Nacional de Ciência realizada em março de 1978, foram premiados quase 80 projetos de laser, incluindo cerca de 70 produtos civis e cerca de 10 produtos militares, o que refletiu de forma abrangente as conquistas do desenvolvimento da tecnologia laser do meu país durante este período.
Desde a reforma e abertura, a tecnologia laser ganhou oportunidades de desenvolvimento sem precedentes. Nos últimos 20 anos, a ciência e a tecnologia do laser fizeram progressos sem precedentes, enfrentando as aplicações, o mundo e o futuro, e surgiram uma série de conquistas avançadas internacionalmente, estabelecendo uma base sólida para o século XXI.
Em maio de 1980, a primeira conferência internacional sobre laser foi realizada em Xangai e Pequim, com 218 delegados (66 do exterior) e 113 relatórios (65 do exterior). O camarada Deng Xiaoping recebeu cordialmente os delegados chineses e estrangeiros. A segunda e terceira conferências internacionais foram realizadas em Guangzhou em 1983 e em Xiamen em 1986, mudando a situação de operação fechada da tecnologia laser no meu país durante muitos anos e começando a se tornar global. Um grande número de jovens talentos científicos e tecnológicos foram para o estrangeiro para prosseguirem os seus estudos, e um número considerável de talentos notáveis ​​regressaram à China após concluírem os seus estudos.
A fim de formar um centro de investigação e desenvolvimento de alto nível, a equipa de investigação científica e o layout foram activamente ajustados, e foram estabelecidos vários laboratórios nacionais importantes, laboratórios abertos, centros nacionais de investigação em engenharia e organizações de investigação industrial-universitária. Com instrumentos e instalações internacionalmente avançados, talentos científicos e tecnológicos de alto nível e um mecanismo operacional relativamente flexível, está desempenhando um papel importante na transformação das conquistas científicas e tecnológicas do laser, na criação de direitos de propriedade intelectual independentes e na promoção do laser industrialização tecnológica.
A tecnologia laser tem recebido importância em muitos planos estratégicos nacionais de ciência e tecnologia. Entre os sete principais campos do plano "863", estão a tecnologia laser e a tecnologia optoeletrônica (incluindo a tecnologia laser utilizada no campo da informação), e em 1995, foi adicionado o tema "fusão por confinamento inercial". A pré-pesquisa de defesa em tecnologia optoeletrônica foi oficialmente estabelecida como um projeto interdepartamental, que também inclui tecnologia laser. A tecnologia laser foi listada como um grande projeto no "Sexto Plano Quinquenal" e no "Sétimo Plano Quinquenal" nacionais. Além disso, a Fundação Nacional de Ciências Naturais financiou uma média de 27,6 projectos de laser por ano, entre 1986 e 1998. Estes planos apoiados pelo Estado foram totalmente demonstrados e rigorosamente seleccionados e são de grande importância para a economia nacional e para a construção da defesa nacional. Muitas unidades de investigação a laser também tomaram a iniciativa de reformar os seus sistemas organizacionais e mecanismos operacionais, enfrentando o mercado, incentivando a inovação e promovendo vigorosamente a transformação das conquistas científicas e tecnológicas em mercadorias, e alcançaram resultados gratificantes.
A pesquisa sobre laser se desenvolveu em profundidade, buscando constantemente objetivos como alta qualidade de feixe, alta estabilidade, longa vida, pulsos curtos e comprimentos de onda ajustáveis. Durante este período, a tecnologia laser alcançou resultados frutíferos, muitos dos quais com valor de aplicação significativo e atingiram níveis avançados internacionais. As conquistas representativas incluem:
1. Medição de distância e medição por satélite Uma nova geração de sistemas práticos de medição de distância foi colocada em uso e completou as importantes tarefas programadas. Entre eles, os teodolitos de filme a laser 718 e G-179 foram colocados em uso e completaram as tarefas com sucesso; o primeiro teste completo de campo de radar de rastreamento e alcance a laser foi bem-sucedido; o primeiro radar laser infravermelho prático (G-168) foi projetado e finalizado e entregue aos usuários; telêmetros militares táticos a laser (artilharia, tanques, portáteis) foram produzidos em massa. O sistema de alcance de laser artificial de satélite de terceira geração foi construído e colocado em uso e atingiu padrões internacionais. A precisão do alcance do sistema SLR Ruby de primeira geração está no nível do medidor, a precisão do laser YAG Q-switched de segunda geração está no nível do decímetro e a precisão do laser de modo bloqueado de terceira geração mais o sistema de microcomputador tem nível centimétrico a uma distância superior a 8,000 quilômetros. Estações foram estabelecidas em Xangai, Wuhan, Changchun, Pequim, etc., formando a Rede da China, e os dados participam de intercâmbios internacionais.
2. Driver de laser de fusão por confinamento inercial (ICF) - série "Shenguang" Sob a orientação de Wang Ganchang e Wang Daheng, a Academia Chinesa de Ciências e a Academia Chinesa de Engenharia Física começaram a enfrentar conjuntamente os principais problemas na década de 1980, empreenderam o desenvolvimento do sistema de laser da série "Shenguang" e experimentos físicos da CIF, e alcançou conquistas de renome internacional. Entre eles, o dispositivo laser "Shenguang-I" foi construído em 1986, com potência de saída de 2 trilhões de watts, atingindo o nível avançado de dispositivos internacionais similares. "Shenguang-I" está em operação há 8 anos consecutivos e alcançou uma série de resultados físicos de classe mundial em campos de ponta, como ICF e lasers de raios X. Na década de 1990, o dispositivo "Shenguang-II" com escala quatro vezes maior e desempenho mais avançado foi desenvolvido e está prestes a ser colocado em operação. Em 1995, o ICF foi aprovado como um projeto no "Plano 863" e começou a desenvolver um driver de laser gigante transversal ao século - o dispositivo "Shenguang-III". O design geral e a pesquisa tecnológica chave alcançaram uma série de resultados de alto nível.
3. Novos lasers Dois lasers químicos de onda contínua de alta potência, o laser de flúor deutério (DF) de 3,{4}}mícrons e o laser de oxigênio-iodo (COIL) de comprimento de onda curto de 1,315-mícrons, fizeram avanços, com a qualidade da energia e do feixe perdendo apenas para os Estados Unidos, alcançando o atual nível internacional. Em termos de lasers de raios X, o mecanismo de colisão dos lasers de raios X suaves de néon-germânio (comprimentos de onda de 23,2 nanômetros e 23,6 nanômetros) alcançou saturação de ganho e tem uma qualidade de feixe próxima ao limite de difração, classificando-se no nível de liderança internacional ; a pesquisa sobre lasers de raios X bombeados por compostos obteve uma série de novas linhas espectrais relatadas pela primeira vez no mundo e avançou para um comprimento de onda curto de 4,68 nanômetros. Lasers de elétrons livres e lasers sintonizáveis ​​de múltiplos comprimentos de onda também fizeram progressos gratificantes.
4. Novos cristais chineses tornam-se globais Os cristais BBO, LBO do meu país, bem como KTP, safira de titânio e outros cristais inventados pela China gozam de grande reputação no mercado internacional por sua excelente qualidade e ocupam uma certa participação.
Embora o protótipo da indústria do laser tenha aparecido no processamento (perfuração a laser), equipamentos médicos e medição de distância já na década de 1960, naquela época era apenas uma produção esporádica e dispersa de pesquisa e desenvolvimento em pequena escala, e não conseguiu formar um clima . Foi só com a reforma e a abertura que a China realmente recebeu atenção e começou substancialmente, especialmente sob a orientação política de "desenvolver alta tecnologia e realizar a industrialização", que o meu país teve uma verdadeira indústria de laser.
Em janeiro de 1987, a Associação da Indústria Óptica da China foi criada e mais tarde renomeada como Associação da Indústria Óptica e Optoeletrônica da China, que possui uma filial de laser. De acordo com as estatísticas da pesquisa da associação industrial sobre a situação da indústria de laser do meu país em 1998, existem cerca de 100 grandes unidades de produção de produtos a laser no país, com 6.400 funcionários e uma média de vendas de 125,000 yuans por pessoa, distribuído principalmente em Hubei, Pequim e Xangai. a indústria de laser do meu país aumentou de 100 milhões de yuans em 1988 para 800 milhões de yuans em 1998, com um crescimento médio anual de 22,3%, e as vendas totais em 10 anos atingiram 4,12 bilhões de yuans. Em 1998, as exportações atingiram 11,2 milhões de dólares, representando 11,6% do valor total.