Definicja
Ultraszybki laser to rodzaj ultraintensywnego ultrakrótkiego lasera impulsowego o szerokości impulsu mniejszej lub mieszczącej się w zakresie pikosekundy (2-10 s), która jest definiowana na podstawie kształtu fali wyjściowej energii. Definicja ta jest związana z „zjawiskami ultraszybkimi”. Zjawisko ultraszybkie odnosi się do zjawiska, które występuje w procesie fizycznym, chemicznym lub biologicznym, który zmienia się szybko w mikroskopijnym układzie materii. W układzie atomowym i molekularnym skala czasowa ruchu atomów i cząsteczek jest rzędu pikosekund do femtosekund. Na przykład okres rotacji cząsteczek jest rzędu pikosekund, a okres drgań jest rzędu femtosekund. Gdy szerokość impulsu lasera osiągnie poziom pikosekundy lub femtosekundy, może w dużej mierze uniknąć wpływu na ogólny ruch termiczny cząsteczek (ruch termiczny cząsteczek jest mikroskopijną istotą temperatury materii), a materiał jest generowany w skali czasowej drgań molekularnych. Wpływa tak, aby przy osiągnięciu celu przetwarzania, efekt cieplny został znacznie zredukowany.
rodzaje
Istnieje wiele metod klasyfikacji laserów, a cztery z nich są najczęściej stosowane: klasyfikacja według substancji roboczej, klasyfikacja według kształtu fali wyjściowej energii (trybu pracy), klasyfikacja według długości fali wyjściowej (koloru) i klasyfikacja według mocy.
Ze względu na kształt fali wyjściowej lasery można podzielić na lasery ciągłe, lasery impulsowe i lasery quasi-ciągłe:
Ciągły laser
Jest to laser, który nieprzerwanie generuje stabilne przebiegi energii w godzinach pracy. Charakteryzuje się dużą mocą i może przetwarzać materiały o dużej objętości i wysokiej temperaturze topnienia, takie jak płyty metalowe.
Laser impulsowy
Wyprowadza energię w postaci impulsów. Zgodnie z szerokością impulsu można je dalej podzielić na lasery mili2nd, lasery micro2nd, urządzenia wyłączające nano2nd, lasery pico2nd, lasery femto2nd i lasery atto2nd; na przykład, jeśli laser impulsowy Szerokość impulsu lasera wyjściowego wynosi od 1 do 1000 ns, co nazywamy laserami nano2nd itd. Nazywamy je laserami pico2nd, laserami femto2nd, laserami atto2nd i laserami ultrafast. Moc lasera impulsowego jest znacznie niższa niż lasera ciągłego, ale dokładność przetwarzania jest wyższa niż lasera ciągłego i ogólnie rzecz biorąc, im węższa szerokość impulsu, tym wyższa dokładność przetwarzania.
Laser quasi-CW
Może wielokrotnie generować wiązkę lasera o stosunkowo dużej energii w określonym czasie, teoretycznie jest to laser impulsowy.
Przebiegi energii wyjściowej powyższych 3 laserów można również opisać parametrem „współczynnik wypełnienia”. W przypadku lasera współczynnik wypełnienia można interpretować jako stosunek czasu energii wyjściowej lasera do całkowitego czasu w cyklu impulsu.
Współczynnik wypełnienia lasera CW (=1) > współczynnik wypełnienia lasera quasi-CW > współczynnik wypełnienia lasera impulsowego. Generalnie, im węższa szerokość impulsu lasera impulsowego, tym niższy współczynnik wypełnienia.
W dziedzinie obróbki materiałów lasery impulsowe były początkowo produktem przejściowym laserów ciągłych. Wynika to z faktu, że moc wyjściowa laserów ciągłych nie może być bardzo wysoka ze względu na wpływ czynników takich jak nośność elementów rdzenia i poziom technologii na wczesnym etapie, a materiał nie może być podgrzewany do temperatury topnienia. Powyższe osiąga cel obróbki. Jeśli pewne środki techniczne zostaną użyte do skoncentrowania energii wyjściowej lasera na pojedynczym impulsie, tak że chociaż całkowita moc lasera się nie zmienia, chwilowa moc w momencie impulsu jest znacznie zwiększona, co spełnia wymagania obróbki materiałów. Później technologia laserów ciągłych stopniowo dojrzewała i odkryto, że laser impulsowy ma dużą zaletę w dokładności obróbki. Wynika to z faktu, że efekt cieplny lasera impulsowego na materiały jest mniejszy, a im węższa szerokość impulsu lasera, tym mniejszy efekt cieplny i gładsza krawędź obrabianego materiału, tym odpowiednia dokładność obróbki jest wyższa.
Komponenty
2 podstawowe wymagania ultrakrótkich laserów: wysoka stabilność ultrakrótkiego impulsu i wysoka energia impulsu. Generalnie ultrakrótkie impulsy można uzyskać, stosując technologię blokowania modów, a wysoką energię impulsu można uzyskać, stosując technologię wzmacniania CPA. Podstawowe zaangażowane komponenty obejmują oscylatory, rozciągi, wzmacniacze i kompresory. Spośród nich technologia oscylatora i wzmacniacza jest najtrudniejsza i jest również podstawową technologią firmy produkującej ultrakrótkie lasery.
Oscylator
W oscylatorze ultraszybkie impulsy laserowe uzyskuje się stosując technikę blokowania modów.
Nosze
Rozciągacz rozciąga impulsy zarodkowe femto2 w odstępach czasowych o różne długości fal.
Wzmacniacz
Do pełnego pobudzenia tego rozciągniętego impulsu stosuje się wzmacniacz ćwierkający.
Sprężarka
Kompresor łączy wzmocnione widma różnych składowych i przywraca je do szerokości femto2, tworząc w ten sposób impulsy laserowe femto2 o niezwykle dużej mocy natychmiastowej.
Zastosowania
W porównaniu z laserami nano2 i mili2, chociaż ogólna moc laserów ultrakrótkich jest niższa, ponieważ oddziałują one bezpośrednio na skalę czasową drgań cząsteczek materiału, realizują „obróbkę na zimno” w prawdziwym tego słowa znaczeniu, dzięki czemu dokładność obróbki ulega znacznej poprawie.
Ze względu na różnice w charakterystyce, lasery ciągłe dużej mocy, lasery impulsowe nieultraszybkie i lasery ultraszybkie znacznie różnią się w dalszych obszarach zastosowań:
Do cięcia, spiekania, spawalniczy, okładziny powierzchniowe, wiercenie, 3D drukowanie materiałów metalowych.
Lasery impulsowe nie ultrakrótkie służą do znakowania materiałów niemetalowych, obróbki materiałów krzemowych, precyzyjne grawerowanie powierzchni metalowych, czyszczenie powierzchni metalowych, precyzyjne spawanie metali, mikroobróbka metali.
Ultraszybkie lasery służą do cięcia i spawania materiałów przezroczystych, takich jak szkło, PET i szafir, a także materiałów twardych i kruchych, precyzyjne znakowanie, chirurgia okulistyczna, mikroskopowa pasywacja i trawienie materiałów.
Z punktu widzenia zastosowania, lasery CW dużej mocy i lasery ultrakrótkie nie mają prawie żadnej wzajemnej zależności substytucyjnej. Są jak osie i pęsety, a ich rozmiary mają swoje własne zalety i wady. Dalsze zastosowania laserów impulsowych innych niż ultrakrótkie pokrywają się z laserami ciągłymi i laserami ultrakrótkimi. Z rzeczywistych wyników, w tym samym zastosowaniu, jego moc nie jest tak dobra jak laserów ciągłych, a jego dokładność nie jest tak dobra jak laserów ultrakrótkich. Bardziej widoczna jest wydajność kosztowa.
Zwłaszcza laser ultrafioletowy nano2nd, chociaż jego szerokość impulsu nie osiąga poziomu pico2nd, ale dokładność przetwarzania jest znacznie lepsza w porównaniu z innymi kolorowymi laserami nano2nd, jest szeroko stosowany w przetwarzaniu i produkcji produktów 3C. W przyszłości, gdy koszt ultrakrótkich laserów zmniejszy się, może zająć rynek ultrafioletu nano2nd.
Ultraszybkie lasery realizują obróbkę na zimno w prawdziwym sensie i mają znaczące zalety w precyzyjnym przetwarzaniu. W miarę jak technologia produkcji ultraszybkich laserów stopniowo dojrzewa, koszt stopniowo maleje. W przyszłości oczekuje się, że będzie szeroko stosowany w biologii medycznej, lotnictwie, elektronice użytkowej, wyświetlaczach oświetleniowych, środowisku energetycznym, maszynach precyzyjnych i innych gałęziach przemysłu downstream.
Kosmetologia medyczna
Ultraszybkie lasery mogą być stosowane w sprzęcie do chirurgii oka i urządzeniach kosmetycznych. Laser Femto2nd jest stosowany w chirurgii krótkowzroczności i jest znany jako „kolejna rewolucja w chirurgii refrakcyjnej” po technologii aberracji czoła fali. Oś oka pacjentów krótkowzrocznych jest większa niż oś normalnego oka, tak że w stanie relaksacji gałki ocznej ognisko równoległych promieni świetlnych po refrakcji przez układ refrakcyjny oka pada przed siatkówką. Chirurgia laserowa Femto2nd może usunąć nadmiar mięśni w wymiarze osiowym i przywrócić normalną odległość osiową. Chirurgia laserowa Femto2nd ma zalety wysokiej dokładności, wysokiego bezpieczeństwa, wysokiej stabilności, krótkiego czasu operacji i wysokiego komfortu i stała się jedną z najpopularniejszych metod chirurgii krótkowzroczności.
W zakresie urody ultraszybkie lasery można stosować do usuwania przebarwień i znamion, usuwania tatuaży i poprawy wyglądu skóry.
Elektronika użytkowa
Ultraszybkie lasery nadają się do obróbki twardych i kruchych materiałów przezroczystych, obróbki cienkich warstw, precyzyjnego znakowania itp. w procesie produkcji elektroniki użytkowej. Szkło hartowane do telefonów komórkowych i szafir są reprezentatywnymi twardymi, kruchymi i przezroczystymi materiałami w surowcach elektroniki użytkowej, zwłaszcza szafir, ze względu na jego wysoką twardość i kruchość wydajność i wydajność tradycyjnych metod obróbki są bardzo niskie; szafir jest obecnie szeroko stosowany Jest szeroko stosowany w inteligentnych zegarkach, obudowach aparatów telefonów komórkowych, obudowach modułów odcisków palców itp.; laser ultrafioletowy nano2nd i laser ultraszybki są obecnie głównymi środkami technicznymi do cięcia szafiru, a efekt przetwarzania lasera ultraszybkiego jest lepszy niż lasera ultrafioletowego nano2nd. Ponadto metody przetwarzania stosowane przez moduły aparatów i moduły odcisków palców to głównie lasery nano2nd i pico2nd. Do cięcia elastycznych ekranów telefonów komórkowych (ekranów składanych) i odpowiednich 3D W przyszłości główną technologią wiercenia szkła będą najprawdopodobniej ultrakrótkofalowe lasery.
Ultraszybkie lasery mają również ważne zastosowania w produkcji paneli. Ultraszybkie lasery mogą być używane do cięcia polaryzatorów OLED, odklejania i naprawy podczas produkcji LCD/OLED.
W przypadku OLED-ów materiały polimerowe są szczególnie wrażliwe na wpływy termiczne. Ponadto rozmiar i odstępy między obecnie produkowanymi ogniwami są bardzo małe, a pozostały rozmiar przetwarzania jest również bardzo mały. Tradycyjny proces wykrawania, taki jak kiedyś, nie nadaje się już do dzisiejszych czasów. Potrzeby produkcyjne przemysłu, a teraz wymagania aplikacji dla ekranów o specjalnych kształtach i ekranów perforowanych, które wykraczają poza możliwości tradycyjnych rzemiosł. W ten sposób odzwierciedlane są zalety ultrakrótkich laserów, zwłaszcza laserów ultrafioletowych piko2 lub nawet femto2, które mają małą strefę wpływu ciepła i są bardziej odpowiednie do bardziej elastycznych zastosowań, takich jak przetwarzanie krzywych.
Mikrospawanie
W przypadku przezroczystych mediów stałych, takich jak szkło, różne zjawiska, takie jak absorpcja nieliniowa, uszkodzenia spowodowane topnieniem, tworzenie plazmy, ablacja i propagacja włókien, wystąpią, gdy ultrakrótki impuls lasera rozchodzi się w medium. Na rysunku przedstawiono różne zjawiska, które występują w interakcji między ultrakrótkim impulsem lasera a materiałem stałym przy różnych gęstościach mocy i skalach czasu.
Ponieważ technologia mikrospawania laserowego ultrakrótkiego impulsu nie wymaga wstawiania warstwy pośredniej, ma wysoką wydajność, wysoką precyzję, nie ma makroskopowego efektu termicznego i ma stosunkowo idealne właściwości mechaniczne i optyczne po obróbce mikrospawania, jest bardzo odpowiednia do mikrospawania materiałów przezroczystych, takich jak szkło. Na przykład badacze pomyślnie spawali zaślepki do standardowych i mikrostrukturyzowanych włókien optycznych przy użyciu impulsów 70 fs, 250 kHz.
Oświetlenie wyświetlacza
Zastosowanie ultraszybkich laserów w dziedzinie oświetlenia wyświetlaczy odnosi się głównie do rytowania i cięcia płytek LED. To kolejny przykład, w którym ultraszybkie lasery nadają się do obróbki twardych i kruchych materiałów. Ultraszybkie przetwarzanie laserowe charakteryzuje się wysoką płaskością przekroju poprzecznego i znacznie zmniejszonym odpryskiwaniem krawędzi. Wydajność i dokładność są znacznie ulepszone.
Energia fotowoltaiczna
Ultraszybkie lasery mają szerokie zastosowanie w produkcji ogniw fotowoltaicznych. Na przykład w produkcji cienkowarstwowych baterii CIGS ultraszybkie lasery mogą zastąpić oryginalny proces mechanicznego grawerowania i znacznie poprawić jakość grawerowania, zwłaszcza w przypadku połączeń grawerujących P2 i P3, które mogą osiągnąć niemal zerowy odprysk i brak pęknięć oraz naprężeń szczątkowych.
Lotnictwo
Aby poprawić wydajność i żywotność łopatek turbiny, a następnie poprawić wydajność silnika, konieczne jest przyjęcie technologii chłodzenia filmem powietrznym, która stawia niezwykle wysokie wymagania dla technologii przetwarzania otworów filmu powietrznego. W 2018 roku Instytut Optyki i Mechaniki Xi'an opracował najwyższą energię pojedynczego impulsu w Chinach. 26-watowy przemysłowy laser światłowodowy femto2nd i opracowana seria ultraszybkich urządzeń do ekstremalnej produkcji laserowej osiągnęły przełom w „obróbce na zimno” otworów filmu powietrznego w łopatkach turbin silników lotniczych, wypełniając krajową lukę. Ta metoda przetwarzania jest bardziej zaawansowana niż EDM Dokładność metody jest wyższa, a wydajność znacznie poprawiona.
Ultraszybkie lasery można również stosować do precyzyjnej obróbki materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami, a poprawa dokładności obróbki pomoże rozszerzyć zastosowanie materiałów kompozytowych, takich jak włókno węglowe, w przemyśle lotniczym i innych zaawansowanych dziedzinach.
Zakres badań
Technologia polimeryzacji 2-fotonowej (2PP) jest technologią „nanooptyczną” 3D metoda drukowania, podobna do technologii szybkiego prototypowania z utwardzaniem światłem, a futurolog Christopher Barnatt uważa, że technologia ta może stać się powszechną formą 3D drukowanie w przyszłości. Zasada technologii polimeryzacji 2-fotonowej polega na selektywnym utwardzaniu żywicy światłoczułej za pomocą „lasera impulsowego femto2nd”. Brzmi to jak szybkie prototypowanie fotoutwardzalne, różnica polega na tym, że minimalna grubość warstwy i rozdzielczość osi XY, jaką można osiągnąć za pomocą technologii polimeryzacji 2-fotonowej, mieszczą się w przedziale od 100 nm do 200 nm. Innymi słowy, 2PP 3D Technologia drukowania jest setki razy dokładniejsza od tradycyjnej technologii formowania z utwardzaniem światłem, a wydruki są mniejsze od bakterii.
Obecnie cena ultrakrótkich laserów jest nadal stosunkowo wysoka. Jako pionier w branży, STYLECNC produkuje już ultraszybkie urządzenia do obróbki laserowej i uzyskała dobre opinie rynkowe. Precyzyjne urządzenia do cięcia laserowego modułów OLED oparte na ultraszybkiej technologii laserowej, ultraszybkie (pikosekundowe/femtosekundowe) urządzenia do znakowania laserowego, urządzenia do fazowania szkła do obróbki laserowej pico2nd infrared display screens oraz szklane wafle pico2nd infrared glass waffles zostały wprowadzone na rynek urządzenia do cięcia laserowego, automatyczna niewidoczna maszyna do cięcia diod LED, półprzewodnikowy wafer laserowa maszyna do cięcia, urządzenia do cięcia szklanych osłon modułów identyfikacji odcisków palców, elastyczne linie produkcyjne do masowej produkcji wyświetlaczy oraz seria ultraszybkich produktów laserowych.
Za i przeciw
ZALETY
Ultraszybki laser jest jednym z ważnych kierunków rozwoju w dziedzinie laserów. Jako wschodząca technologia ma znaczące zalety w precyzyjnej mikroobróbce. Ultrakrótki impuls generowany przez ultraszybki laser oddziałuje z materiałem przez bardzo krótki czas i nie powoduje nagrzewania otaczających materiałów, dlatego ultraszybkie przetwarzanie laserowe nazywane jest również przetwarzaniem na zimno. Dzieje się tak, ponieważ gdy szerokość impulsu lasera osiąga poziom piko2 lub femto2, wpływ na ruch termiczny cząsteczek można w dużym stopniu uniknąć, co skutkuje mniejszym wpływem termicznym.
Na przykład, gdy kroimy konserwowane jajka tępym kuchennym nożem, często kroimy je na drobne kawałki. Jeśli wybierzesz metodę cięcia z wyjątkowo ostrym ostrzem noża, które szybko kroi bałagan, konserwowane jajka zostaną pokrojone równomiernie i pięknie. To jest zaleta bycia super szybkim.
Wady
Branże zajmujące się produkcją zaawansowanych podzespołów, takie jak produkcja układów scalonych i paneli, mają niezwykle wysokie wymagania dotyczące sprzętu do obróbki laserowej. Istnieje ryzyko, że przełomowe odkrycia technologiczne nie spełnią oczekiwań.
Cena ultraszybkich laserów jest wysoka, a zmiana dostawcy laserów niesie ze sobą ryzyko, że nie uda się rozszerzyć rynku w sposób, jakiego oczekują zarówno producenci sprzętu laserowego, jak i najdalsi użytkownicy.
