Вызначэнне
Звышхуткі лазер — гэта тып звышінтэнсіўнага звышкароткаімпульснага лазера з шырынёй імпульсу меншай або ў межах піка2-га ўзроўню (10-12 с), які вызначаецца на аснове формы хвалі выходнай энергіі. Гэта вызначэнне звязана з «звышхуткімі з'явамі». Звышхуткая з'ява адносіцца да з'явы, якая адбываецца ў фізічным, хімічным або біялагічным працэсе, які хутка змяняецца ў мікраскапічнай сістэме рэчыва. У атамна-малекулярнай сістэме часавы маштаб руху атамаў і малекул складае ад пікасекунд да фемтасекунд. Напрыклад, перыяд малекулярнага кручэння складае каля пікасекунд, а перыяд вібрацыі — каля фемтасекунд. Калі шырыня лазернага імпульсу дасягае ўзроўню піка2-га або фемтасекунды, гэта можа ў значнай ступені пазбегнуць уплыву на агульны цеплавы рух малекул (цеплавы рух малекул з'яўляецца мікраскапічнай сутнасцю тэмпературы рэчыва), і матэрыял генеруецца ў часавым маштабе малекулярных вібрацый. Уплыў, так што пры дасягненні мэты апрацоўкі цеплавы эфект значна зніжаецца.
Тыпы
Існуе мноства метадаў класіфікацыі лазераў, сярод якіх ёсць 4 найбольш распаўсюджаныя метады класіфікацыі, у тым ліку класіфікацыя па рабочым рэчыве, класіфікацыя па форме хвалі выходнай энергіі (працоўны рэжым), класіфікацыя па даўжыні хвалі выходнай энергіі (колер) і класіфікацыя па магутнасці.
Сярод іх, у залежнасці ад формы сігналу выходнай энергіі, лазеры можна падзяліць на лазеры бесперапыннага дзеяння, імпульсныя лазеры і квазібесперапынныя лазеры:
Бесперапынны лазер
Гэта лазер, які бесперапынна выпраменьвае стабільныя энергетычныя хвалі на працягу працоўнага часу. Ён характарызуецца высокай магутнасцю і можа апрацоўваць матэрыялы вялікага аб'ёму з высокай тэмпературай плаўлення, такія як металічныя пласціны.
Імпульсны лазер
Ён выпраменьвае энергію ў выглядзе імпульсаў. Па шырыні імпульсу іх можна падзяліць на мілісекундныя лазеры, мікрасекундныя лазеры, нанасекундныя прылады выключэння, пікасекундныя лазеры, фемтасекундныя лазеры і аттасекундныя лазеры; напрыклад, калі імпульсны лазер мае шырыню імпульсу ад 2 да 2 нс, мы называем іх нанасекунднымі лазерамі і гэтак далей. Мы называем пікасекундныя лазеры, фемтасекундныя лазеры, аттасекундныя лазеры і звышхуткія лазеры. Магутнасць імпульснага лазера значна ніжэйшая, чым у бесперапыннага лазера, але дакладнасць апрацоўкі вышэйшая, чым у бесперапыннага лазера, і ў цэлым, чым меншая шырыня імпульсу, тым вышэйшая дакладнасць апрацоўкі.
Квазі-лазер бесперапыннага дзеяння
Ён можа паўторна выпраменьваць лазер адносна высокай энергіі на працягу пэўнага перыяду часу, і тэарэтычна ён таксама з'яўляецца імпульсным лазерам.
Формы сігналаў выхадной энергіі вышэйзгаданых трох лазераў таксама можна апісаць параметрам "каэфіцыент запаўнення". Для лазера каэфіцыент запаўнення можна інтэрпрэтаваць як суадносіны часу выхадной энергіі лазера да агульнага часу на працягу імпульснага цыклу.
Кошт працы лазера ў рэжыме бесперапыннага выпраменьвання (=1) > кошт працы квазі-лазера ў рэжыме бесперапыннага выпраменьвання > кошт працы імпульснага лазера. Як правіла, чым меншая шырыня імпульсу імпульснага лазера, тым меншы кошт працы.
У галіне апрацоўкі матэрыялаў імпульсныя лазеры першапачаткова былі пераходным прадуктам да лазераў бесперапыннага выпраменьвання. Гэта звязана з тым, што выходная магутнасць лазераў бесперапыннага выпраменьвання не можа быць вельмі высокай з-за ўплыву такіх фактараў, як грузападымальнасць асноўных кампанентаў і ўзровень тэхналогій на ранняй стадыі, і матэрыял нельга награваць да тэмпературы плаўлення. Гэта дазваляе дасягнуць мэты апрацоўкі. Калі выкарыстоўваць пэўныя тэхнічныя сродкі для канцэнтрацыі выходнай энергіі лазера на адным імпульсе, то, хоць агульная магутнасць лазера не змяняецца, імгненная магутнасць у момант імпульсу значна павялічваецца, што задавальняе патрабаванні апрацоўкі матэрыялаў. Пазней тэхналогія бесперапыннага выпраменьвання паступова развівалася, і было выяўлена, што імпульсны лазер мае вялікую перавагу ў дакладнасці апрацоўкі. Гэта звязана з тым, што цеплавы ўздзеянне імпульснага лазера на матэрыялы меншае, і чым вузейшая шырыня лазернага імпульсу, тым меншы цеплавы ўздзеянне і чым больш гладкія краю апрацоўванага матэрыялу, тым вышэй адпаведная дакладнасць апрацоўкі.
Кампаненты
2 асноўныя патрабаванні да звышхуткіх лазераў: высокая стабільнасць ультракароткіх імпульсаў і высокая энергія імпульсаў. Як правіла, ультракароткія імпульсы можна атрымаць з дапамогай тэхналогіі сінхранізацыі мод, а высокую энергію імпульсаў — з дапамогай тэхналогіі ўзмацнення CPA. Асноўныя кампаненты ўключаюць генератары, расцяжнікі, узмацняльнікі і кампрэсары. Сярод іх тэхналогія генератара і ўзмацняльніка з'яўляецца найбольш складанай, і яны таксама з'яўляюцца асноўнай тэхналогіяй кампаніі па вытворчасці звышхуткіх лазераў.
Генератар
У генератары звышхуткія лазерныя імпульсы атрымліваюцца з выкарыстаннем тэхнікі сінхранізацыі мод.
насілкі
Расцяжнік расцягвае імпульсы femto2nd па часе на розныя даўжыні хваль.
Узмацняльнік
Для поўнай актывацыі гэтага расцягнутага імпульсу выкарыстоўваецца ўзмацняльнік чырпавання.
Кампрэсар
Кампрэсар аб'ядноўвае ўзмоцненыя спектры розных кампанентаў і аднаўляе іх да шырыні фемто2nd, тым самым фарміруючы фемто2nd лазерныя імпульсы з надзвычай высокай імгненнай магутнасцю.
прыкладанняў
У параўнанні з nano2nd і milli2nd лазерамі, хоць агульная магутнасць ультрахуткіх лазераў ніжэйшая, бо яны непасрэдна ўздзейнічаюць на часовую шкалу малекулярных ваганняў матэрыялу, яны рэалізуюць «халодную апрацоўку» ў сапраўдным сэнсе, таму дакладнасць апрацоўкі значна паляпшаецца.
З-за розных характарыстык, магутныя бесперапынныя лазеры, незвышхуткія імпульсныя лазеры і звышхуткія лазеры маюць вялікія адрозненні ў наступных галінах прымянення:
Магутныя бесперапынныя лазеры (і квазібесперапынныя лазеры) выкарыстоўваюцца для рэзкі, спякання, зварка, павярхоўная аздабленне, свідраванне, 3D друк металічных матэрыялаў.
Незвышхуткія імпульсныя лазеры выкарыстоўваюцца для маркіроўкі неметалічных матэрыялаў, апрацоўкі крэмніевых матэрыялаў, дакладная гравіроўка металічных паверхняў, ачыстка металічных паверхняў, дакладная зварка металаў, мікраапрацоўка металаў.
Звышхуткія лазеры выкарыстоўваюцца для рэзкі і зваркі празрыстых матэрыялаў, такіх як шкло, ПЭТ і сапфір, а таксама цвёрдых і далікатных матэрыялаў. дакладная маркіроўка, афтальмалагічная хірургія, мікраскапічная пасівацыя і травленне матэрыялаў.
З пункту гледжання выкарыстання, магутныя лазеры бесперапыннага выпраменьвання і звышхуткія лазеры практычна не маюць узаемнай замяшчальнасці. Яны падобныя на сякеры і пінцэт, і іх памеры маюць свае перавагі і недахопы. Далейшыя прымяненні незвышхуткіх імпульсных лазераў часткова перакрываюцца з лазерамі бесперапыннага выпраменьвання і звышхуткімі лазерамі. Зыходзячы з рэальных вынікаў, пры адным і тым жа прымяненні іх магутнасць не такая добрая, як у лазераў бесперапыннага выпраменьвання, а дакладнасць не такая добрая, як у звышхуткіх лазераў. Больш прыкметнай з'яўляецца цана і якасць.
Асабліва ультрафіялетавы лазер nano2nd, хоць яго шырыня імпульсу не дасягае ўзроўню піка2nd, але дакладнасць апрацоўкі значна палепшана ў параўнанні з іншымі каляровымі nano2nd лазерамі, ён шырока выкарыстоўваецца ў апрацоўцы і вытворчасці 3C прадуктаў. У будучыні, па меры зніжэння кошту звышхуткіх лазераў, ён можа заняць рынак ультрафіялетавага лазера nano2nd.
Звышхуткія лазеры рэалізуюць халодную апрацоўку ў рэальным сэнсе і маюць значныя перавагі ў дакладнай апрацоўцы. Па меры паступовага ўдасканалення тэхналогіі вытворчасці звышхуткіх лазераў іх кошт паступова зніжаецца. У будучыні чакаецца шырокае прымяненне ў медыцынскай біялогіі, аэракасмічнай прамысловасці, бытавой электроніцы, асвятленні, энергетыцы, дакладным машынабудаванні і іншых галінах прамысловасці.
Медыцынская касметалогія
Звышхуткія лазеры могуць выкарыстоўвацца ў медыцынскім абсталяванні для хірургіі зроку і касметычных прыладах. Femto2nd лазер выкарыстоўваецца ў хірургіі блізарукасці і вядомы як «яшчэ адна рэвалюцыя ў рэфракцыйнай хірургіі» пасля тэхналогіі аберацыі хвалевага фронту. Вось вока пацыентаў з блізарукасцью большая за нармальную вось вока, таму ў стане расслаблення вочнага яблыка фокус паралельных светлавых прамянёў пасля праламлення рэфракцыйнай сістэмай вока трапляе перад сятчаткай. Femto2nd лазерная хірургія можа выдаліць лішнюю мышцу ў восевым вымярэнні і аднавіць восевую адлегласць да нармальнага ўзроўню. Femto2nd лазерная хірургія мае перавагі высокай дакладнасці, высокай бяспекі, высокай стабільнасці, кароткага часу аперацыі і высокага камфорту, і стала адным з самых распаўсюджаных метадаў хірургіі блізарукасці.
Што тычыцца прыгажосці, звышхуткія лазеры можна выкарыстоўваць для выдалення пігмента і родных радзімак, выдалення татуіровак і паляпшэння працэсаў старэння скуры.
Бытавая электроніка
Звышхуткія лазеры падыходзяць для апрацоўкі цвёрдых і далікатных празрыстых матэрыялаў, апрацоўкі тонкіх плёнак, дакладнай маркіроўкі і г.д. у працэсе вытворчасці бытавой электронікі. Загартаванае шкло для мабільных тэлефонаў і сапфір з'яўляюцца тыповымі цвёрдымі, далікатнымі і празрыстымі матэрыяламі ў сыравіне бытавой электронікі, асабліва сапфір, з-за яго высокай цвёрдасці і высокай далікатнасці эфектыўнасць і выхад традыцыйных метадаў апрацоўкі вельмі нізкія; сапфір зараз шырока выкарыстоўваецца. Ён шырока выкарыстоўваецца ў разумных гадзінніках, чахлах камер мабільных тэлефонаў, чахлах модуляў адбіткаў пальцаў і г.д.; ультрафіялетавы лазер nano2nd і звышхуткі лазер з'яўляюцца асноўнымі тэхнічнымі сродкамі для рэзкі сапфіра ў цяперашні час, і эфект апрацоўкі звышхуткага лазера лепшы, чым у ультрафіялетавага nano2nd лазера. Акрамя таго, метады апрацоўкі, якія выкарыстоўваюцца ў модулях камер і модулях адбіткаў пальцаў, у асноўным з'яўляюцца nano2nd і pico2nd лазерамі. Для рэзкі гнуткіх экранаў мабільных тэлефонаў (складных экранаў) і адпаведнага... 3D У будучыні, калі гаворка ідзе пра свідраванне шкла, асноўнай тэхналогіяй, хутчэй за ўсё, стануць звышхуткія лазеры.
Звышхуткія лазеры таксама маюць важнае прымяненне ў вытворчасці панэляў. Звышхуткія лазеры могуць выкарыстоўвацца для рэзкі палярызатараў OLED, адслойвання і рамонту падчас вытворчасці LCD/OLED.
Палімерныя матэрыялы OLED-дысплеяў асабліва адчувальныя да цеплавога ўздзеяння. Акрамя таго, памер і адлегласць паміж ячэйкамі, якія вырабляюцца ў цяперашні час, вельмі малыя, а астатнія памеры апрацоўкі таксама вельмі малыя. Традыцыйны працэс высечкі, як раней, больш не падыходзіць для сённяшняга дня. Патрэбы прамысловасці, а цяпер і патрабаванні да экранаў спецыяльнай формы і перфараваных экранаў, выходзяць за рамкі магчымасцей традыцыйных рамёстваў. Такім чынам, адлюстроўваюцца перавагі звышхуткіх лазераў, асабліва піка2-дысплеяў ультрафіялетавых або нават фемта2-дысплеяў, якія маюць невялікую зону цеплавога ўздзеяння і больш падыходзяць для больш гнуткіх ужыванняў, такіх як апрацоўка крывых.
Мікразварка
У празрыстых цвёрдых асяроддзях, такіх як шкло, пры распаўсюджванні ультракароткага імпульснага лазера ў асяроддзі адбываюцца розныя з'явы, такія як нелінейнае паглынанне, пашкоджанне ад плаўлення, утварэнне плазмы, абляцыя і распаўсюджванне валокнаў. На малюнку паказаны розныя з'явы, якія ўзнікаюць пры ўзаемадзеянні паміж ультракароткім імпульсным лазерам і цвёрдым матэрыялам пры розных шчыльнасцях магутнасці і часовых маштабах.
Паколькі тэхналогія ультракароткаімпульснай лазернай мікразваркі не патрабуе ўстаўкі прамежкавага пласта, мае высокую эфектыўнасць, высокую дакладнасць, адсутнасць макраскапічнага цеплавога эфекту і адносна ідэальныя механічныя і аптычныя ўласцівасці пасля апрацоўкі мікразваркай, яна вельмі падыходзіць для мікразваркі празрыстых матэрыялаў, такіх як шкло. Напрыклад, даследчыкі паспяхова прыварылі тарцавыя наканечнікі да стандартных і мікраструктураваных аптычных валокнаў, выкарыстоўваючы імпульсы 70 фс, 250 кГц.
вітрыннае асвятленне
Ужыванне звышхуткіх лазераў у галіне асвятлення дысплеяў у асноўным тычыцца гравіроўкі і рэзкі святлодыёдных пласцін. Гэта яшчэ адзін прыклад таго, як звышхуткія лазеры падыходзяць для апрацоўкі цвёрдых і далікатных матэрыялаў. Звышхуткая лазерная апрацоўка мае высокую плоскасць папярочнага сячэння і значна зніжае сколы па краях. Эфектыўнасць і дакладнасць значна паляпшаюцца.
Фотаэлектрычная энергія
Звышхуткія лазеры маюць шырокае прымяненне ў вытворчасці фотаэлектрычных элементаў. Напрыклад, пры вытворчасці тонкаплёнкавых акумулятараў CIGS звышхуткія лазеры могуць замяніць першапачатковы працэс механічнай нанясення гравіроўкі і значна палепшыць якасць нанясення гравіроўкі, асабліва для злучэнняў P2 і P3, якія практычна не дазваляюць сколаў, расколін і рэшткавых напружанняў.
авіяцыйна-касмічны
Для паляпшэння прадукцыйнасці і тэрміну службы лапатак турбіны, а таксама для паляпшэння прадукцыйнасці рухавіка, неабходна ўкараніць тэхналогію паветранага плёнкавага астуджэння, якая прад'яўляе надзвычай высокія патрабаванні да тэхналогіі апрацоўкі адтулін у паветранай плёнцы. У 2018 годзе Сіаньскі інстытут оптыкі і механікі распрацаваў найвышэйшую ў Кітаі энергію аднаго імпульсу. 26-ватны валаконны лазер прамысловага класа femto2nd і серыя звышхуткаснага лазернага экстрэмальнага вытворчага абсталявання дасягнулі прарыву ў "халоднай апрацоўцы" адтулін у паветранай плёнцы ў лапатках турбін авіяцыйных рухавікоў, запоўніўшы прабел унутры краіны. Гэты метад апрацоўкі больш прасунуты, чым электроэрозійны. Дакладнасць метаду вышэйшая, а выхад значна павышаны.
Звышхуткія лазеры таксама могуць быць ужытыя для дакладнай апрацоўкі кампазітных матэрыялаў, узмоцненых валакном, а паляпшэнне дакладнасці апрацоўкі дапаможа пашырыць прымяненне кампазітных матэрыялаў, такіх як вугляроднае валакно, у аэракасмічнай і іншых высокакласных галінах.
Навуковае поле
Тэхналогія 2-фатоннай палімерызацыі (2PP) — гэта «нанааптычная» 3D метад друку, падобны да тэхналогіі хуткага прататыпавання з дапамогай святлоадцверджання, і футуолаг Крыстафер Барнат лічыць, што гэтая тэхналогія можа стаць асноўнай формай 3D друк у будучыні. Прынцып тэхналогіі 2-фатоннай палімерызацыі заключаецца ў выбарачным зацвярдзенні фотаадчувальнай смалы з выкарыстаннем "фемта2-імпульснага лазера". Гэта гучыць як фотаацвярдзенне хуткага прататыпавання, розніца ў тым, што мінімальная таўшчыня пласта і дазвол па восі XY, якія можа дасягнуць тэхналогія 2-фатоннай палімерызацыі, складаюць ад 100 нм да 200 нм. Іншымі словамі, 2PP 3D Тэхналогія друку ў сотні разоў больш дакладная, чым традыцыйная тэхналогія ліцця пад святлом, а надрукаваныя рэчы меншыя за бактэрыі.
У цяперашні час цана на звышхуткія лазеры ўсё яшчэ адносна высокая. Як піянер у гэтай галіне, STYLECNC ужо вырабляе абсталяванне для звышхуткай лазернай апрацоўкі і атрымала добрыя водгукі ад рынку. Былі запушчаны абсталяванне для лазернай дакладнай рэзкі OLED-модуляў на аснове звышхуткай лазернай тэхналогіі, абсталяванне для звышхуткай (пікасекунднай/фемтасекунднай) лазернай маркіроўкі, абсталяванне для лазернай апрацоўкі шкла фаскай для інфрачырвоных экранаў дысплеяў pico2nd і інфрачырвоныя шкляныя пласціны pico2nd, аўтаматычная машына для нябачнай нарэзкі святлодыёдаў, паўправадніковыя пласціны. Машына лазернай рэзання, абсталяванне для рэзкі шкляных пакрыццяў для модуляў ідэнтыфікацыі адбіткаў пальцаў, лініі масавай вытворчасці гнуткіх дысплеяў і серыя звышхуткіх лазерных прадуктаў.
Плюсы мінусы
Прафесіяналы
Звышхуткі лазер з'яўляецца адным з важных напрамкаў развіцця ў лазернай галіне. Як новая тэхналогія, ён мае значныя перавагі ў дакладнай мікраапрацоўцы. Ультракароткі імпульс, які генеруецца звышхуткім лазерам, узаемадзейнічае з матэрыялам на працягу вельмі кароткага часу і не награвае навакольныя матэрыялы, таму звышхуткая лазерная апрацоўка таксама называецца халоднай апрацоўкай. Гэта тлумачыцца тым, што калі шырыня лазернага імпульсу дасягае ўзроўню піка2-га або фемто2-га, уплыў на малекулярны цеплавы рух можна ў значнай ступені пазбегнуць, што прыводзіць да меншага цеплавога ўздзеяння.
Напрыклад, калі мы наразаем кансерваваныя яйкі тупым кухонным нажом, мы часта наразаем іх на дробныя кавалачкі. Калі вы выбіраеце метад нарэзкі з асабліва вострым лязом нажа, які хутка зразае смецце, кансерваваныя яйкі будуць нарэзаныя роўна і прыгожа. У гэтым і заключаецца перавага звышхуткасці.
мінусы
Такія вытворчыя галіны высокага класа, як інтэгральныя схемы і панэлі, прад'яўляюць надзвычай высокія патрабаванні да абсталявання для лазернай апрацоўкі, і існуе рызыка таго, што тэхналагічныя прарывы не апраўдаюць чаканняў.
Кошт звышхуткіх лазераў высокі, і пераход да новага пастаўшчыка лазераў рызыкуе не пашырыць рынак, як чакалася, як для вытворцаў лазернага абсталявання, так і для самых абмежаваных карыстальнікаў.
