Sự hội tụ của Quang tử (Quang học - Quang phổ và Laser) cho nền tảng công nghiệp 4.0
[ 16/02/2019 00:00 AM | Lượt xem: 208 ]

Vậy quang tử phù hợp ở đâu? Có lẽ sẽ dễ dàng hơn khi hỏi nơi nào không phù hợp với quang tử. Từ liên kết dữ liệu quang tốc độ cao đến tính linh hoạt của xử lý vật liệu bằng laser, và phản hồi và ra quyết định thông minh có thể thực hiện được nhờ hệ thống thị giác máy và cảm biến quang học, các nhà máy thông minh của tương lai gần sẽ khai thác Quang tử như trước đây.

Tại Trung tâm nghiên cứu quang điện tử (ORC) tại Đại học Southampton ở Anh và thông qua Trung tâm nghiên cứu khoa học vật lý và kỹ thuật (EPSRC), đã phát triển nhiều công nghệ cho phép chuyển đổi : sợi quang cho tốc độ siêu cao, truyền dữ liệu đáng tin cậy; laser sợi sẽ thực hiện phần lớn việc sản xuất tại các nhà máy trong tương lai; cảm biến cho phản hồi thông minh; thậm chí các hệ thống quang học thay đổi linh hoạt theo nhiệm vụ sản xuất cụ thể trong tầm tay.

Một trong những công nghệ quan trọng của chúng tôi là lõi rỗng (HC), hoặc sợi holey. Giáo sư David Richardson giải thích rằng điều này tác động đến cả việc truyền và truyền laser sợi quang công suất cao, cho phép khả năng truyền năng lượng chưa từng có từ laser sang nơi làm việc xa và kết nối mạng quang trên thang đo petabit mỗi giây với độ trễ cực thấp thời gian phản hồi và kiểm soát trong nhà máy.

Nhờ những tiến bộ gần đây được thực hiện dưới một khoản trợ cấp EPSRC khác, giờ đây chúng tôi có thể sản xuất các sợi HC tiên tiến với chiều dài vượt hàng chục km với độ đồng đều tuyệt vời và tương tác ánh sáng-thủy tinh nhỏ. Những tiến bộ bao gồm khả năng thiết kế thông minh các sợi HC từ khuôn mẫu ban đầu với khả năng dự đoán được cải thiện nhiều, nhờ mô hình động lực học chất lỏng - ví dụ, cho phép các sợi chống cộng hưởng mới cung cấp khả năng giao tiếp đồng thời qua nhiều dải bước sóng.

Nói như vậy, làm các sợi tốt hơn có nghĩa là nhiều dữ liệu hơn, nhiều năng lượng hơn, nhiều chiều hơn, bảo vệ môi trường tốt hơn. Chúng tôi đang thêm vào kho vũ khí quang học cho Công nghiệp 4.0.

Một phần của kho vũ khí đó là khả năng các sợi HC tầm ngắn, chi phí thấp cho kết nối giống như trung tâm dữ liệu trong nhà máy với độ trễ cực thấp cho phản hồi và kiểm soát thời gian thực. Các nghiên cứu ban đầu đã chỉ ra rằng lợi thế về độ trễ là có thật, ông nói thêm.

LASER THÔNG MINH

With much-improved advanced fibre production capability now available, Richardson and others at the ORC have just begun a £6 million follow-up effort. Also funded by the EPSRC, the programme will see the technology developed for applications ranging from cutting-edge science to medical imaging and factories of the future.

On one level this will support pumping higher-power beams for laser materials processing, but with the likes of BT and Microsoft among the industry partners, communications will clearly be a major element. Richardson says that the reduced light-matter interactions enabled by transmitting light through the air of the hollow core – rather than through glass – will result in the kind of latency and optical losses needed for what’s envisaged as the ‘tactile’ internet, facilitating real-time wireless human control of real and virtual objects. Other possibilities include using adapted HC fibres to double up as gas sensors and data carriers.

Richardson’s colleague Professor Michalis N. Zervas (shown has already explored ways to double the typical output of a fibre laser, and is now working on approaches to control output to an unprecedented degree: for the smart factory, enter the “smart laser” and “smart photon pipes”.

“A smart laser looks like an electronic equivalent – a single, small-sealed, maintenance-free enclosure with a fully controlled output that is responsive to changes in the workpiece,” Zervas explains. “The laser knows what material it is processing, how the process is developing and when it is finished. It is able to adapt to changes in the materials, their shape, reflectivity, thickness and orientation.”


Adaptive beam shaping

Another approach to “smart laser” manufacturing is being pursued by ORC research fellow Dr Ben Mills. Using Digital Micromirror Devices (DMDs) developed by Texas Instruments, he is looking to combine the precision manufacturing capability of femtosecond lasers with high-speed control of beam-shape – potentially enabling some extraordinary applications across multiple sectors.

“We’re using high-speed, high-precision beam shaping to unlock a revolution in laser processing; for applications ranging from sensing to healthcare,” says Mills of the highly-customisable technology.

Capable of switching between conventional Gaussian, square, pyramidal or, indeed, any desired beam shape, the latest closed-loop system self-corrects in real-time, for example to work around a speck of dust in the laser processing zone – putting it clearly in the realm of Industry 4.0. What Mills describes as “on-the-fly, intelligent, adaptive laser processing” can be achieved with a high-speed camera looking along the beam line to provide feedback. Although the team is using a pulse repetition rate of only 10 Hz in current proof-of-principle experiments, Mills points out that beam shaping will ultimately be possible at much more industry-relevant rates of up to 30 kHz.

The potential for industrial applications of dynamic beam-shaping of femtosecond laser pulses is significant – the resultant multiphoton absorption enables material processing in almost any material, at extremely high precision. The current challenge for the team is to move to 3D manufacturing using this beam-shaping approach.

“We are investigating a range of both additive and subtractive laser-based processes,” Mills says. “We believe our approaches will eventually enable the fabrication of 3D structures from almost any material, at a resolution of hundreds of nanometres.”


Photonics convergence

Looking to 2020 and beyond, it is clear that lasers and photonics will be pivotal to delivering Industry 4.0 on multiple fronts. ORC director Professor Sir David Payne, a keynote speaker at this year’s CLEO Europe conference in Munich, summarises:

“We are entering an unprecedented era of convergence in photonics innovation. Progress conceived for one application, for example lasers or silicon photonics, will be rapidly re-deployed across all society’s major challenges – from individualised manufacturing, to healthcare and autonomous vehicles.”

That means digital tuning of fibre laser pulses for each manufacturing process, optimising productivity and flexibility in cutting, joining and marking applications. Simultaneously, HC optical fibre will enable flexible delivery of that light to the workpiece, coupled with real-time, low-latency ultrahigh-bandwidth connectivity of machines and factories, removing lag in digital process control.

“The convergence of processing and communications photonics in the hardware underpinning Industry 4.0 is stimulating demand for more integration and new approaches to manufacturing photonics components,” Payne adds. “This will drive new industrial partnerships, multiplying our impact and unlocking further economic growth.”

Khoa
Vật lý & Công nghệ

(0208).3706.388
Loading the player ...

Liên kết website

Thống kê website

Lượt truy câp: 896537
Trong ngày: 68
Đang online: 15