Definition
Ultrasnabb laser är en typ av ultraintensiv ultrakort pulsad laser med pulsbredd mindre än eller inom pico2:a nivån (10-12s), som definieras baserat på vågformen för energiutgången. Denna definition är relaterad till "ultrasnabba fenomen". Ultrasnabbt fenomen avser ett fenomen som uppstår i en fysisk, kemisk eller biologisk process som snabbt förändras i materiens mikroskopiska system. I det atomära och molekylära systemet är tidsskalan för rörelsen av atomer och molekyler i storleksordningen pikosekunder till femtosekunder. Till exempel är perioden för molekylär rotation i storleksordningen pikosekunder och vibrationsperioden är i storleksordningen femtosekunder. När laserpulsbredden når nivån pico2nd eller femtosecond, kan den till stor del undvika påverkan på molekylernas totala termiska rörelse (molekylernas termiska rörelse är den mikroskopiska essensen av materiens temperatur), och materialet genereras på tidsskalan för molekylär vibration. Inflytande, så att samtidigt som syftet med bearbetningen uppnås, reduceras den termiska effekten avsevärt.
Typer
Det finns många klassificeringsmetoder för lasrar, bland vilka det finns 4 vanligast använda klassificeringsmetoder, inklusive klassificering efter arbetssubstans, klassificering efter energiutgångsvågform (arbetsläge), klassificering efter utgångsvåglängd (färg) och klassificering efter effekt.
Bland dem, enligt vågformen för energiutgång, kan lasrar delas in i kontinuerliga lasrar, pulsade lasrar och kvasi-kontinuerliga lasrar:
Kontinuerlig laser
Det är en laser som kontinuerligt matar ut stabila energivågformer under arbetstid. Den kännetecknas av hög effekt och kan bearbeta material med stor volym och hög smältpunkt, såsom metallplattor.
Pulserande laser
Den matar ut energi i form av pulser. Beroende på pulsbredden kan den ytterligare delas in i milli2nd lasrar, micro2nd lasrar, nano2nd avstängningsanordningar, pico2nd lasrar, femto2nd lasrar och atto2nd lasrar; till exempel om en pulslaser Pulsbredden på utgående laser är mellan 1-1000ns, som vi kallar nano2nd-lasrar, och så vidare. Vi kallar pico2nd-lasrar, femto2nd-lasrar, atto2nd-lasrar och ultrasnabba lasrar. Effekten hos den pulsade lasern är mycket lägre än den för den kontinuerliga lasern, men bearbetningsnoggrannheten är högre än den hos den kontinuerliga lasern, och i allmänhet, ju smalare pulsbredden är, desto högre bearbetningsnoggrannhet.
Quasi-CW laser
Den kan upprepade gånger producera relativt högenergilaser inom en viss period, och det är också en pulslaser i teorin.
Energiutgångsvågformerna för de ovanstående 3 lasrarna kan också beskrivas med parametern "driftcykel". För en laser kan arbetscykeln tolkas som förhållandet mellan tiden för laserenergiutmatning i förhållande till den totala tiden inom en pulscykel.
CW laser arbetscykel (=1) > kvasi-CW laser arbetscykel > pulsad laser arbetscykel. Generellt gäller att ju smalare den pulsade laserns pulsbredd är, desto lägre är arbetscykeln.
Inom materialbearbetningsområdet var pulsade lasrar från början en övergångsprodukt av kontinuerliga lasrar. Detta beror på att uteffekten från kontinuerliga lasrar inte kan vara mycket hög på grund av påverkan av faktorer som bärförmågan hos kärnkomponenter och tekniknivån i det tidiga skedet, och materialet kan inte värmas upp till smältpunkten. Ovanstående uppnår syftet med behandlingen. Om vissa tekniska medel används för att koncentrera laserns utgångsenergi till en enda puls, så att även om laserns totala effekt inte förändras, ökar den momentana effekten vid tidpunkten för pulsen kraftigt, vilket uppfyller kraven för materialbearbetning. Senare mognade den kontinuerliga lasertekniken gradvis, och man fann att pulsad laser har en stor fördel när det gäller bearbetningsnoggrannhet. Detta beror på att den termiska effekten av pulsad laser på material är mindre, och ju smalare laserpulsbredden är, desto mindre är den termiska effekten och ju jämnare kanten på det bearbetade materialet är, motsvarande bearbetningsnoggrannhet är högre.
Komponenter
2 kärnkrav för ultrasnabba lasrar: hög stabilitet ultrakort puls och hög pulsenergi. I allmänhet kan ultrakorta pulser erhållas genom att använda mod-låsningsteknologi, och hög pulsenergi kan erhållas genom att använda CPA-förstärkningsteknik. De inblandade kärnkomponenterna inkluderar oscillatorer, bårar, förstärkare och kompressorer. Bland dem är oscillator- och förstärkartekniken de svåraste, och de är också kärntekniken i ett ultrasnabbt lasertillverkningsföretag.
Oscillatorn
I oscillatorn erhålls ultrasnabba laserpulser med hjälp av en modlåsningsteknik.
Bår
Båren sträcker femto2nd seed pulser isär i tid med olika våglängder.
Förstärkare
En pipande förstärkare används för att helt aktivera denna utsträckta puls.
Kompressor
Kompressorn sammanför de förstärkta spektra av olika komponenter och återställer dem till femto2nd-bredden, vilket bildar femto2nd-laserpulser med extremt hög momentan effekt.
Tillämpningar
Jämfört med nano2nd och milli2nd lasrar, även om den totala kraften hos ultrasnabba lasrar är lägre, eftersom den direkt verkar på tidsskalan för materialmolekylära vibrationer, realiserar den "kall bearbetning" i egentlig mening, så bearbetningsnoggrannheten förbättras avsevärt.
På grund av olika egenskaper har högeffekts kontinuerliga lasrar, icke-ultrasnabba pulsade lasrar och ultrasnabba lasrar stora skillnader i nedströms applikationsområden:
Högeffekts kontinuerliga lasrar (och kvasi-kontinuerliga lasrar) används för skärning, sintring, svetsning, ytbeklädnad, borrning, 3D tryckning av metallmaterial.
Icke-ultrasnabba pulsade lasrar används för märkning av icke-metalliska material, bearbetning av kiselmaterial, precisionsgravering av metallytor, rengöring av metallytor, precisionssvetsning av metaller, mikrobearbetning av metaller.
Ultrasnabba lasrar används för skärning och svetsning av transparenta material som glas, PET och safir och hårda och spröda material, precisionsmärkning, oftalmisk kirurgi, mikroskopisk passivering och etsning av material.
Ur användningssynpunkt har högeffekts CW-lasrar och ultrasnabba lasrar nästan inget ömsesidigt ersättningsförhållande. De är som yxor och pincett, och deras storlekar har sina egna fördelar och nackdelar. Nedströmsapplikationerna av icke-ultrasnabba pulsade lasrar har viss överlappning med kontinuerliga lasrar och ultrasnabba lasrar. Från de faktiska resultaten, under samma applikation, är dess kraft inte lika bra som den för kontinuerliga lasrar, och dess noggrannhet är inte lika bra som den för ultrasnabba lasrar. Desto mer framträdande är kostnadsprestanda.
Särskilt den nano2nd ultravioletta lasern, även om dess pulsbredd inte når pico2nd nivån, men bearbetningsnoggrannheten är avsevärt förbättrad jämfört med andra färg nano2nd lasrar, den har använts i stor utsträckning vid bearbetning och tillverkning av 3C-produkter. I framtiden, eftersom kostnaden för ultrasnabba lasrar minskar, kan det komma att ockupera den nano2nd ultravioletta marknaden.
Ultrasnabba lasrar realiserar kall bearbetning i verklig mening och har betydande fördelar i precisionsbearbetning. När produktionstekniken för ultrasnabba lasrar gradvis mognar, minskar kostnaden gradvis. I framtiden förväntas det användas i stor utsträckning inom medicinsk biologi, flyg, hemelektronik, belysningsdisplay, energimiljö, precisionsmaskiner och andra nedströmsindustrier.
Medicinsk kosmetologi
Ultrasnabba lasrar kan användas i medicinsk ögonkirurgiutrustning och kosmetiska apparater. Femto2nd laser används vid närsynthetskirurgi och är känd som "en annan revolution inom refraktiv kirurgi" efter vågfrontsavvikelseteknologi. Ögonaxeln hos närsynta patienter är större än den normala ögonaxeln, så att i tillståndet av ögonglobsavslappning faller fokus för parallella ljusstrålar efter brytning av ögats brytningssystem framför näthinnan. Femto2nd laserkirurgi kan ta bort överflödig muskel i den axiella dimensionen och återställa det axiella avståndet till det normala. Femto2nd laserkirurgi har fördelarna med hög noggrannhet, hög säkerhet, hög stabilitet, kort operationstid och hög komfort, och har blivit en av de mest vanliga metoderna för närsynthetkirurgi.
När det gäller skönhet kan ultrasnabba lasrar användas för att ta bort pigment och infödda födelsemärken, ta bort tatueringar och förbättra hudens åldrande.
Hemelektronik
Ultrasnabba lasrar är lämpliga för bearbetning av hårda och spröda transparenta material, tunnfilmsbearbetning, precisionsmärkning etc. i tillverkningsprocessen av konsumentelektronik. Mobiltelefonhärdat glas och safir är representativa hårda, spröda och transparenta material i råvaror för konsumentelektronik, särskilt safir, på grund av dess höga hårdhet och höga sprödhet, är effektiviteten och utbytet av traditionella bearbetningsmetoder mycket låga; safir används nu flitigt Det används i stor utsträckning i smarta klockor, mobilkameraskal, fingeravtrycksmodulfodral, etc.; nano2nd ultraviolett laser och ultrasnabb laser är de viktigaste tekniska sätten att skära safir för närvarande, och bearbetningseffekten av ultrasnabb laser är bättre än den för ultraviolett nano2nd laser. Dessutom är bearbetningsmetoderna som används av kameramoduler och fingeravtrycksmoduler huvudsakligen nano2nd och pico2nd lasrar. För skärning av flexibla mobiltelefonskärmar (vikbara skärmar) och motsvarande 3D glasborrning i framtiden kommer den vanliga tekniken med största sannolikhet vara ultrasnabba lasrar.
Ultrasnabba lasrar har också viktiga tillämpningar vid paneltillverkning. Ultrasnabba lasrar kan användas för att skära OLED-polarisatorer, peeling och reparation under LCD/OLED-tillverkning.
För OLED:er är dess polymermaterial särskilt känsliga för värmepåverkan. Dessutom är storleken och avståndet mellan de celler som för närvarande tillverkas mycket små, och den återstående bearbetningsstorleken är också mycket liten. Den traditionella stansprocessen som tidigare är inte längre lämplig för idag. Industrins produktionsbehov, och nu finns det applikationskrav för specialformade skärmar och perforerade skärmar, som är bortom kapaciteten hos traditionellt hantverk. På så sätt reflekteras fördelarna med ultrasnabba lasrar, särskilt pico2nd ultravioletta eller till och med femto2nd lasrar, som har en liten värmepåverkad zon och är mer lämpade för mer flexibla tillämpningar som kurvbearbetning.
Mikrosvetsning
För transparenta fasta medier som glas kommer olika fenomen som olinjär absorption, smältskador, plasmabildning, ablation och fiberutbredning att inträffa när ultrakort pulslaser fortplantar sig i mediet. Figuren visar olika fenomen som uppstår i samspelet mellan ultrakort pulslaser och fast material under olika effekttätheter och tidsskalor.
Eftersom ultrakort puls laser mikrosvetsteknik inte behöver infoga ett mellanskikt, har hög effektivitet, hög precision, ingen makroskopisk termisk effekt och har relativt idealiska mekaniska och optiska egenskaper efter mikrosvetsbehandling, är den mycket lämplig för mikrosvetsning av transparenta material som glas. Till exempel har forskare framgångsrikt svetsat ändlock till standard- och mikrostrukturerade optiska fibrer med hjälp av 70 fs, 250 kHz pulser.
Displaybelysning
Användningen av ultrasnabba lasrar inom området för displaybelysning hänvisar huvudsakligen till ritning och skärning av LED-wafers. Detta är ytterligare ett exempel på att ultrasnabba lasrar är lämpliga för bearbetning av hårda och spröda material. Ultrasnabb laserbearbetning har hög planhet i tvärsnitt och avsevärt reducerad kantflisning. Effektiviteten och noggrannheten har förbättrats avsevärt.
Fotovoltaisk energi
Ultrasnabba lasrar har ett brett användningsutrymme vid tillverkning av solceller. Till exempel, vid tillverkning av CIGS-tunnfilmsbatterier, kan ultrasnabba lasrar ersätta den ursprungliga mekaniska ritningsprocessen och avsevärt förbättra kvaliteten på ritsning, särskilt för P2 och P3 ritslänkar, som kan uppnå nästan ingen flisning och inga sprickor och kvarvarande spänningar .
Aerospace
För att förbättra prestanda och livslängd för turbinbladen och sedan förbättra motorns prestanda är det nödvändigt att anta luftfilmkylningsteknik, vilket ställer extremt höga krav på bearbetningstekniken för luftfilmshål. Under 2018 utvecklade Xi'an Institute of Optics and Mechanics den högsta enstaka pulsenergin i Kina. Femto26nd fiberlasern på 2 watt, och utvecklade en serie ultrasnabb laser extrem tillverkningsutrustning, uppnådde ett genombrott i "kallbehandlingen" av luftfilmshål i flygmotorns turbinblad, vilket fyllde det inhemska gapet. Denna bearbetningsmetod är mer avancerad än EDM. Metodens noggrannhet är högre, och utbytet är avsevärt förbättrat.
Ultrasnabba lasrar kan också användas för precisionsbearbetning av fiberförstärkta kompositmaterial, och förbättringen av bearbetningsnoggrannheten kommer att hjälpa till att utöka tillämpningen av kompositmaterial som kolfiber i flyg- och andra avancerade områden.
Forskningsområde
2-foton polymerisationsteknologi (2PP) är en "nano-optisk" 3D utskriftsmetod, liknande ljushärdande rapid prototyping-teknik, och framtidsforskaren Christopher Barnatt tror att denna teknik kan bli en vanlig form av 3D utskrift i framtiden. Principen för 2-foton polymerisationsteknologi är att selektivt härda ljuskänsligt harts genom att använda "femto2nd pulse laser". Det låter som fotohärdning av snabba prototyper, skillnaden är att den minsta skikttjockleken och XY-axelupplösningen som 2-foton polymerisationsteknologi kan uppnå är mellan 100 nm och 200 nm. Med andra ord, 2PP 3D trycktekniken är hundratals gånger mer exakt än traditionell ljushärdande formningsteknik, och de tryckta sakerna är mindre än bakterier.
I dagsläget är priset på ultrasnabba lasrar fortfarande relativt dyrt. Som en pionjär inom branschen, STYLECNC producerar redan ultrasnabb laserbehandlingsutrustning och har fått bra marknadsfeedback. Laserprecisionsskärningsutrustning för OLED-moduler baserad på ultrasnabb laserteknik, ultrasnabb (picosecond/femtosecond) lasermarkeringsutrustning, glasfasningslaserbearbetningsutrustning för pico2nd infraröda bildskärmar och pico2nd infraröda glaswafers har lanserats laserskärningsutrustning, LED automatisk osynlig tärningsmaskin, halvledarskiva laserskäranläggningen, skärutrustning av glasskydd för moduler för identifiering av fingeravtryck, flexibla massproduktionslinjer för displayer och en serie ultrasnabba laserprodukter.
Fördelar nackdelar
Fördelar
Ultrasnabb laser är en av de viktiga utvecklingsriktningarna inom laserområdet. Som en framväxande teknologi har den betydande fördelar inom precisionsmikrobearbetning. Den ultrakorta pulsen som genereras av den ultrasnabba lasern interagerar med materialet under en mycket kort tid, och kommer inte att föra värme till de omgivande materialen, så ultrasnabb laserbearbetning kallas även kall bearbetning. Detta beror på att när laserpulsbredden når nivån pico2nd eller femto2nd kan påverkan på den molekylära termiska rörelsen undvikas i stor utsträckning, vilket resulterar i mindre termisk påverkan.
När vi till exempel skär konserverade ägg med en trubbig kökskniv skär vi ofta de konserverade äggen i fina bitar. Väljer du en skärmetod med en särskilt vass knivegg som skär röran snabbt skärs de konserverade äggen jämnt och vackert. Det är fördelen med att vara supersnabb.
Nackdelar
High-end tillverkningsindustrier som integrerade kretsar och paneler har extremt höga krav på laserbehandlingsutrustning och det finns risk för att tekniska genombrott inte lever upp till förväntningarna.
Priset på ultrasnabba lasrar är högt och att byta till en ny laserleverantör riskerar att inte kunna expandera marknaden som förväntat för både laserutrustningstillverkarna och de mest nedströms användarna.
