Määritelmä
Ultrafast laser on eräänlainen ultraintensiivinen ultralyhyt pulssilaser, jonka pulssin leveys on pienempi tai sen sisällä pico2nd-tasolla (10-12s), joka määritellään energian ulostulon aaltomuodon perusteella. Tämä määritelmä liittyy "ultranopeisiin ilmiöihin". Ultranopea ilmiö viittaa ilmiöön, joka tapahtuu fysikaalisessa, kemiallisessa tai biologisessa prosessissa, joka muuttuu nopeasti mikroskooppisessa ainejärjestelmässä. Atomi- ja molekyylijärjestelmässä atomien ja molekyylien liikkeen aikaasteikko on pikosekuntien ja femtosekuntien luokkaa. Esimerkiksi molekyylin kiertojakso on pikosekuntien luokkaa ja värähtelyjakso femtosekuntien luokkaa. Kun laserpulssin leveys saavuttaa pico2nd tai femtosekunnin tason, se voi suurelta osin välttää vaikutuksen molekyylien yleiseen lämpöliikkeeseen (molekyylien lämpöliike on aineen lämpötilan mikroskooppinen olemus), ja materiaali syntyy molekyylivärähtelyn aika-asteikolla. Vaikuttaa siten, että samalla kun käsittelyn tarkoitus saavutetaan, lämpövaikutus vähenee huomattavasti.
Tyypit
Lasereille on olemassa monia luokitusmenetelmiä, joista 4 yleisimmin käytettyä luokitusmenetelmää, mukaan lukien luokittelu työaineen mukaan, luokitus energian ulostulon aaltomuodon mukaan (työmuoto), luokitus lähtöaallonpituuden (värin) mukaan ja luokitus tehon mukaan.
Niiden joukossa laserit voidaan jakaa energian aaltomuodon mukaan jatkuviin lasereihin, pulssilasereihin ja kvasijatkuviin lasereihin:
Jatkuva laser
Se on laser, joka tuottaa jatkuvasti vakaita energiaaaltomuotoja työaikana. Sille on ominaista suuri teho ja se voi käsitellä materiaaleja, joilla on suuri tilavuus ja korkea sulamispiste, kuten metallilevyjä.
Pulssi laser
Se tuottaa energiaa pulssien muodossa. Pulssin leveyden mukaan se voidaan jakaa edelleen milli2nd lasereihin, micro2nd lasereihin, nano2nd sammutuslaitteisiin, pico2nd lasereihin, femto2nd lasereihin ja atto2nd lasereihin; esimerkiksi jos pulssilaser Lähtölaserin pulssin leveys on 1-1000ns, joita kutsumme nano2nd-lasereiksi ja niin edelleen. Kutsumme pico2nd-lasereita, femto2nd-lasereita, atto2nd-lasereita ja ultranopeita lasereita. Pulssilaserin teho on paljon pienempi kuin jatkuvan laserin, mutta prosessointitarkkuus on korkeampi kuin jatkuvan laserin, ja yleensä mitä kapeampi pulssin leveys, sitä suurempi käsittelytarkkuus.
Quasi-CW laser
Se voi toistuvasti tuottaa suhteellisen korkean energian laseria tietyn ajan kuluessa, ja se on myös teoriassa pulssilaser.
Edellä mainittujen 3 laserin energian ulostuloaaltomuodot voidaan myös kuvata parametrilla "käyttöjakso". Laserille toimintajakso voidaan tulkita laserenergian tuottoajan suhteeksi pulssijakson kokonaisaikaan.
CW-laserin toimintajakso (=1) > kvasi-CW-laserin toimintajakso > pulssilaserin toimintajakso. Yleensä mitä kapeampi pulssilaserin pulssin leveys on, sitä pienempi on käyttösuhde.
Materiaalinkäsittelyn alalla pulssilaserit olivat alun perin jatkuvien lasereiden siirtymätuote. Tämä johtuu siitä, että jatkuvatoimisten lasereiden lähtöteho ei voi olla kovin suuri johtuen tekijöiden, kuten ydinkomponenttien kantavuuden ja alkuvaiheen teknologian tason vaikutuksesta, eikä materiaalia voida kuumentaa sulamispisteeseen. Yllä olevalla saavutetaan käsittelyn tarkoitus. Jos laserin lähtöenergiaa keskitetään tietyillä teknisillä keinoilla yhteen pulssiin niin, että vaikka laserin kokonaisteho ei muutu, hetkellinen teho pulssin hetkellä kasvaa huomattavasti, mikä täyttää laserin vaatimukset. materiaalin käsittely. Myöhemmin jatkuva lasertekniikka kypsyi vähitellen, ja pulssilaserin havaittiin olevan suuri etu käsittelytarkkuudessa. Tämä johtuu siitä, että pulssilaserin lämpövaikutus materiaaleihin on pienempi, ja mitä kapeampi laserpulssin leveys, sitä pienempi on lämpövaikutus ja mitä tasaisempi prosessoidun materiaalin reuna on, vastaava koneistustarkkuus on suurempi.
komponentit
Ultranopeiden lasereiden 2 ydinvaatimusta: erittäin vakaa ultralyhyt pulssi ja korkea pulssienergia. Yleensä ultralyhyitä pulsseja voidaan saada käyttämällä mode-locking-tekniikkaa, ja korkea pulssienergia voidaan saada käyttämällä CPA-vahvistustekniikkaa. Mukana olevat ydinkomponentit sisältävät oskillaattorit, paarit, vahvistimet ja kompressorit. Niistä vaikeimmat ovat oskillaattori- ja vahvistintekniikka, ja ne ovat myös ultranopean laservalmistusyrityksen ydinteknologiaa.
Oscillator
Oskillaattorissa saadaan ultranopeita laserpulsseja moodilukitustekniikalla.
Paarit
Paarit venyttävät femto2nd siemenpulssit ajallisesti erilleen eri aallonpituuksilla.
Vahvistin
Sirkuttavaa vahvistinta käytetään tämän venytetyn pulssin täyden tehostamiseen.
Kompressori
Kompressori kokoaa yhteen eri komponenttien vahvistetut spektrit ja palauttaa ne femto2. leveyteen muodostaen näin femto2. laserpulsseja erittäin suurella hetkellisteholla.
Sovellukset
Verrattuna nano2nd- ja milli2nd-laseereihin, vaikka ultranopeiden lasereiden kokonaisteho on pienempi, koska se vaikuttaa suoraan materiaalin molekyylivärähtelyjen aika-asteikkoon, se toteuttaa "kylmäkäsittelyn" varsinaisessa merkityksessä, joten käsittelyn tarkkuus paranee huomattavasti.
Erilaisista ominaisuuksista johtuen suuritehoisilla jatkuvilla lasereilla, ei-ultranopeilla pulssilasereilla ja ultranopeilla lasereilla on suuria eroja loppupään sovellusalueilla:
Suuritehoisia jatkuvia lasereita (ja lähes jatkuvia lasereita) käytetään leikkaamiseen, sintraamiseen, hitsaus, pintapinnoitus, poraus, 3D metallimateriaalien painatus.
Ei-ultranopeita pulssilasereita käytetään ei-metallisten materiaalien merkitsemiseen, piimateriaalien käsittelyyn, tarkkuuskaiverrus metallipintojen puhdistus, metallipintojen puhdistus, metallien tarkkuushitsaus, metallien mikrotyöstö.
Ultranopeita lasereita käytetään läpinäkyvien materiaalien, kuten lasin, PET:n ja safiirin sekä kovien ja hauraiden materiaalien leikkaamiseen ja hitsaukseen, tarkkuusmerkintä, oftalminen kirurgia, mikroskooppinen passivointi ja materiaalien syövytys.
Käytön kannalta suuritehoisilla CW-lasereilla ja ultranopeilla lasereilla ei ole juuri mitään keskinäistä korvaussuhdetta. Ne ovat kuin kirveet ja pinsetit, ja niiden koolla on omat hyvät ja huonot puolensa. Ei-ultranopeiden pulssilaserien loppupään sovelluksissa on jonkin verran päällekkäisyyttä jatkuvien lasereiden ja ultranopeiden lasereiden kanssa. Varsinaisten tulosten perusteella samassa sovelluksessa sen teho ei ole yhtä hyvä kuin jatkuvatoimisilla lasereilla, eikä sen tarkkuus ole yhtä hyvä kuin ultranopeilla lasereilla. Mitä näkyvämpi on kustannustehokkuus.
Varsinkin nano2nd ultraviolettilaser, vaikka sen pulssin leveys ei saavuta pico2nd-tasoa, mutta käsittelytarkkuus on parantunut huomattavasti muihin värillisiin nano2nd-lasereihin verrattuna, sitä on käytetty laajalti 3C-tuotteiden käsittelyssä ja valmistuksessa. Tulevaisuudessa, kun ultranopeiden laserien kustannukset laskevat, ne voivat miehittää nanotoisen ultraviolettimarkkinoiden.
Ultranopeat laserit toteuttavat kylmäkäsittelyn todellisessa mielessä ja niillä on merkittäviä etuja tarkkuuskäsittelyssä. Ultranopeiden lasereiden tuotantoteknologian asteittain kypsyessä kustannukset laskevat vähitellen. Tulevaisuudessa sitä odotetaan laajalti käytettävän lääketieteellisessä biologiassa, ilmailussa, kulutuselektroniikassa, valaistusnäytöissä, energiaympäristössä, tarkkuuskoneissa ja muilla jatkoteollisuuden aloilla.
Lääketieteellinen kosmetologia
Ultranopeita lasereita voidaan käyttää lääketieteellisissä silmäkirurgisissa laitteissa ja kosmeettisissa laitteissa. Femto2nd-laseria käytetään likinäköisyyskirurgiassa, ja se tunnetaan "toisena taittokirurgian vallankumouksena" aaltorintamapoikkeamatekniikan jälkeen. Likinäköisten potilaiden silmäakseli on normaalia silmän akselia suurempi, joten silmämunan rentoutumistilassa rinnakkaisten valonsäteiden kohdistus silmän taittojärjestelmän taittuessa putoaa verkkokalvon eteen. Femto2nd laserleikkaus voi poistaa ylimääräisen lihaksen aksiaalisesta ulottuvuudesta ja palauttaa aksiaalisen etäisyyden normaaliksi. Femto2nd laserkirurgian etuna on korkea tarkkuus, korkea turvallisuus, korkea vakaus, lyhyt käyttöaika ja korkea mukavuus, ja siitä on tullut yksi yleisimmistä likinäköisyysleikkausmenetelmistä.
Kauneuden kannalta erittäin nopeilla lasereilla voidaan poistaa pigmenttiä ja luomia, poistaa tatuointeja ja parantaa ihon ikääntymistä.
Consumer Electronics
Ultranopeat laserit soveltuvat kovien ja hauraiden läpinäkyvien materiaalien käsittelyyn, ohutkalvokäsittelyyn, tarkkuusmerkintään jne. kulutuselektroniikan valmistusprosessissa. Matkapuhelimen karkaistu lasi ja safiiri ovat edustavia kovia, hauraita ja läpinäkyviä materiaaleja kulutuselektroniikan raaka-aineissa, erityisesti safiirissa. Sen korkean kovuuden ja haurauden vuoksi perinteisten koneistusmenetelmien tehokkuus ja tuottoaste ovat erittäin alhaiset; safiiri on nyt laajalti käytössä. Sitä käytetään laajalti älykelloissa, matkapuhelimen kameroiden kansissa, sormenjälkimoduulien kansissa jne.; nano2nd ultraviolettilaser ja ultranopea laser ovat tärkeimmät tekniset keinot safiirin leikkaamiseen tällä hetkellä, ja ultranopean laserin prosessointivaikutus on parempi kuin ultravioletti nano2nd laserin. Lisäksi kameramoduulien ja sormenjälkimoduulien käyttämät prosessointimenetelmät ovat pääasiassa nano2nd ja pico2nd lasereita. Joustavien matkapuhelinnäyttöjen (taitettavan näytön) ja vastaavien leikkaamiseen 3D lasinporauksessa tulevaisuudessa valtavirran teknologia on todennäköisesti ultranopeita lasereita.
Ultranopeilla lasereilla on myös tärkeitä sovelluksia paneelien valmistuksessa. Ultranopeita lasereita voidaan käyttää OLED-polarisaattorien leikkaamiseen, kuorimiseen ja korjaamiseen LCD/OLED-valmistuksen aikana.
OLED-laitteissa sen polymeerimateriaalit ovat erityisen herkkiä lämpövaikutuksille. Lisäksi tällä hetkellä valmistettujen solujen koko ja etäisyys ovat hyvin pieniä, ja jäljelle jäävä käsittelykoko on myös hyvin pieni. Perinteinen stanssausprosessi kuten ennen ei enää sovellu tähän päivään. Alan tuotantotarpeet ja nyt on sovellusvaatimukset erikoismuotoisille ja rei'itetyille seulille, jotka ylittävät perinteisen käsityön mahdollisuudet. Tällä tavalla heijastuu ultranopeiden lasereiden edut, erityisesti pico2nd ultravioletti tai jopa femto2nd laserit, joilla on pieni lämpövaikutusalue ja jotka sopivat paremmin joustavampiin sovelluksiin, kuten käyränkäsittelyyn.
Mikrohitsaus
Läpinäkyvillä kiinteillä väliaineilla, kuten lasilla, tapahtuu erilaisia ilmiöitä, kuten epälineaarinen absorptio, sulamisvaurio, plasman muodostuminen, ablaatio ja kuidun leviäminen, kun ultralyhyen pulssin laser etenee väliaineessa. Kuvassa on esitetty erilaisia ilmiöitä, joita esiintyy ultralyhyen pulssilaserin ja kiinteän materiaalin vuorovaikutuksessa eri tehotiheyksillä ja aika-asteikoilla.
Koska ultralyhyen pulssin lasermikrohitsaustekniikan ei tarvitse lisätä välikerrosta, sillä on korkea hyötysuhde, korkea tarkkuus, ei makroskooppista lämpövaikutusta ja sillä on suhteellisen ihanteelliset mekaaniset ja optiset ominaisuudet mikrohitsauskäsittelyn jälkeen, se sopii erittäin hyvin läpinäkyvien materiaalien, kuten lasin, mikrohitsaus. Esimerkiksi tutkijat ovat onnistuneesti hitsaneet päätykappaleita standardi- ja mikrorakenteisiin optisiin kuituihin käyttämällä 70 fs, 250 kHz pulsseja.
Näytön valaistus
Ultranopeiden lasereiden käyttö näyttövalaistuksen alalla viittaa pääasiassa LED-kiekkojen kirjoitukseen ja leikkaamiseen. Tämä on toinen esimerkki ultranopeista lasereista, jotka soveltuvat kovien ja hauraiden materiaalien käsittelyyn. Ultranopealla laserprosessoinnilla on korkea poikkileikkauksen tasaisuus ja huomattavasti vähemmän reunahalkeilua. Tehokkuus ja tarkkuus paranevat huomattavasti.
Aurinkosähkö
Ultranopeilla lasereilla on laaja käyttöalue aurinkokennojen valmistuksessa. Esimerkiksi CIGS-ohutkalvoakkujen valmistuksessa ultranopeilla lasereilla voidaan korvata alkuperäinen mekaaninen viivausprosessi ja parantaa merkittävästi viirauksen laatua, erityisesti P2- ja P3-viivauslinkeissä, joilla ei saavuteta lähes mitään lohkeilua, ei halkeamia ja jäännösjännitystä. .
Aerospace
Turbiinin siipien suorituskyvyn ja käyttöiän parantamiseksi ja sitten moottorin suorituskyvyn parantamiseksi on tarpeen ottaa käyttöön ilmakalvojäähdytystekniikka, joka asettaa erittäin korkeat vaatimukset ilmakalvoreikien käsittelytekniikalle. Vuonna 2018 Xi'an Institute of Optics and Mechanics kehitti Kiinan korkeimman yksittäisen pulssienergian. 26 watin teollisuusluokan femto2nd-kuitulaser ja sarjan ultranopeita äärimmäisiä laservalmistuslaitteita saavuttivat läpimurron ilmamoottoreiden turbiinien siivissä olevien ilmakalvoreikien "kylmäkäsittelyssä" ja täyttivät kotimaisen aukon. Tämä prosessointimenetelmä on edistyneempi kuin EDM. Menetelmän tarkkuus on korkeampi ja tuottoprosentti paranee huomattavasti.
Ultranopeita lasereita voidaan soveltaa myös kuituvahvisteisten komposiittimateriaalien tarkkuuteen, ja koneistustarkkuuden parantaminen auttaa laajentamaan komposiittimateriaalien, kuten hiilikuidun, käyttöä ilmailussa ja muilla huippuluokan aloilla.
Tutkimuskenttä
2-fotonipolymerointitekniikka (2PP) on "nanooptinen" 3D painatusmenetelmä, joka on samanlainen kuin valokovettuva nopea prototyyppitekniikka, ja futuristi Christopher Barnatt uskoo, että tästä tekniikasta voi tulla valtavirta 3D tulostusta tulevaisuudessa. 2-fotonipolymerointitekniikan periaate on kovettaa valikoivasti valoherkkää hartsia käyttämällä "femto2nd pulss laser". Se kuulostaa valokovettuvalta nopealta prototyyppien luomiselta, ero on siinä, että pienin kerrospaksuus ja XY-akselin resoluutio, jotka 2-fotonipolymerointitekniikalla voidaan saavuttaa, ovat 100 nm ja 200 nm välillä. Toisin sanoen 2PP 3D painotekniikka on satoja kertoja tarkempaa kuin perinteinen valokovettuva muovaustekniikka, ja painetut esineet ovat pienempiä kuin bakteerit.
Tällä hetkellä ultranopeiden lasereiden hinta on edelleen suhteellisen kallis. Alan edelläkävijänä STYLECNC valmistaa jo ultranopeita laserkäsittelylaitteita ja on saanut hyvää palautetta markkinoilta. Ultranopeaan lasertekniikkaan perustuvat lasertarkkuusleikkauslaitteet OLED-moduuleille, ultranopeat (pikosekunti/femtosekti) lasermerkintälaitteet, lasin viistetyslaserkäsittelylaitteet pico2nd-infrapunanäytöille ja pico2nd-infrapunalasikiekkoja on lanseerattu laserleikkauslaitteet, LED-automaattinen näkymätön kuutiokone, puolijohdekiekko laserleikkaus kone, lasikannen leikkauslaitteet sormenjälkien tunnistusmoduuleille, joustavia näyttöjen massatuotantolinjoja ja sarja erittäin nopeita lasertuotteita.
Plussaa ja miinusta
Plussat
Ultranopea laser on laseralan tärkeimpiä kehityssuuntia. Nousevana teknologiana sillä on merkittäviä etuja tarkassa mikrokoneistuksessa. Ultranopean laserin tuottama ultralyhyt pulssi on vuorovaikutuksessa materiaalin kanssa hyvin lyhyen ajan, eikä tuo lämpöä ympäröiviin materiaaleihin, joten ultranopeaa laserkäsittelyä kutsutaan myös kylmäkäsittelyksi. Tämä johtuu siitä, että kun laserpulssin leveys saavuttaa pico2nd- tai femto2nd-tason, vaikutus molekyylin lämpöliikkeeseen voidaan välttää suurelta osin, jolloin lämpövaikutus vähenee.
Esimerkiksi kun leikkaamme säilöttyjä munia tylpällä keittiöveitsellä, leikkaamme säilötyt munat usein hienoiksi paloiksi. Jos valitset leikkaustavan erityisen terävällä veitsenterällä, joka leikkaa sotkun nopeasti, säilötyt munat leikataan tasaisesti ja kauniisti. Se on erittäin nopean etuna.
MIINUKSET
Huippuluokan valmistusteollisuudella, kuten integroiduilla piireillä ja paneeleilla, on erittäin korkeat vaatimukset laserprosessointilaitteille, ja on olemassa vaara, että teknologiset läpimurrot jäävät odotuksia pienemmiksi.
Ultranopeiden lasereiden hinta on korkea, ja uuteen lasertoimittajaan vaihtamiseen liittyy riski, ettei markkinoita voida laajentaa odotetulla tavalla sekä laserlaitteiden valmistajien että useimpien jatkokäyttäjien kannalta.
