definició
El làser ultraràpid és un tipus de làser pulsat ultraintens ultracurt amb una amplada de pols inferior o dins del nivell de pico2n (10-12s), que es defineix en funció de la forma d'ona de sortida d'energia. Aquesta definició està relacionada amb els "fenòmens ultraràpids". El fenomen ultraràpid es refereix a un fenomen que es produeix en un procés físic, químic o biològic que canvia ràpidament en el sistema microscòpic de la matèria. En el sistema atòmic i molecular, l'escala de temps del moviment dels àtoms i les molècules és de l'ordre de picosegons a femtosegons. Per exemple, el període de rotació molecular és de l'ordre de picosegons i el període de vibració és de l'ordre de femtosegons. Quan l'amplada de pols del làser arriba al nivell de pico2n o femtosegon, pot evitar en gran mesura la influència sobre el moviment tèrmic general de les molècules (el moviment tèrmic de les molècules és l'essència microscòpica de la temperatura de la matèria), i el material es genera a l'escala de temps de la vibració molecular. Influència, de manera que mentre s'aconsegueix el propòsit del processament, l'efecte tèrmic es redueix considerablement.
Tipus
Hi ha molts mètodes de classificació per als làsers, entre els quals n'hi ha 4 dels més utilitzats, que inclouen la classificació per substància de treball, la classificació per forma d'ona de sortida d'energia (mode de treball), la classificació per longitud d'ona de sortida (color) i la classificació per potència.
Segons la forma d'ona de sortida d'energia, els làsers es poden dividir en làsers continus, làsers pulsats i làsers quasi continus:
Làser continu
És un làser que emet contínuament formes d'ona d'energia estables durant les hores de treball. Es caracteritza per una alta potència i pot processar materials amb gran volum i alt punt de fusió, com ara plaques metàl·liques.
Làser polsat
Produeix energia en forma de polsos. Segons l'amplada del pols, es pot dividir encara més en làsers de mili2nd, làsers de micro2nd, dispositius d'apagada de nano2nd, làsers de pico2nd, làsers de femto2nd i làsers d'atto2nd; per exemple, si un làser de pols L'amplada del pols del làser de sortida és d'entre 1 i 1000 ns, que anomenem làsers de nano2nd, etc. Anomenem làsers de pico2nd, làsers de femto2nd, làsers d'atto2nd i làsers ultraràpids. La potència del làser polsat és molt inferior a la del làser continu, però la precisió del processament és superior a la del làser continu i, en general, com més estreta és l'amplada del pols, més alta és la precisió del processament.
Làser quasi-CW
Pot emetre repetidament un làser d'energia relativament alta dins d'un període determinat, i en teoria també és un làser de pols.
Les formes d'ona de sortida d'energia dels 3 làsers anteriors també es poden descriure mitjançant el paràmetre "cicle de treball". Per a un làser, el cicle de treball es pot interpretar com la relació entre el temps de sortida d'energia làser i el temps total dins d'un cicle d'impulsos.
Cicle de treball làser CW (=1) > cicle de treball làser quasi-CW > cicle de treball làser pulsat. Generalment, com més estreta sigui l'amplada de pols del làser pulsat, més baix serà el cicle de treball.
En el camp del processament de materials, els làsers pulsats van ser inicialment un producte de transició dels làsers continus. Això es deu al fet que la potència de sortida dels làsers continus no pot ser gaire alta a causa de la influència de factors com la capacitat de càrrega dels components principals i el nivell de tecnologia en la fase inicial, i el material no es pot escalfar fins al punt de fusió. L'anterior aconsegueix l'objectiu del processament. Si s'utilitzen certs mitjans tècnics per concentrar l'energia de sortida del làser en un sol pols, de manera que, tot i que la potència total del làser no canvia, la potència instantània en el moment del pols augmenta considerablement, cosa que satisfà els requisits del processament de materials. Més tard, la tecnologia làser continu va madurar gradualment i es va descobrir que el làser pulsat té un gran avantatge en la precisió del processament. Això es deu al fet que l'efecte tèrmic del làser pulsat sobre els materials és més petit, i com més estreta és l'amplada del pols del làser, més petit és l'efecte tèrmic i com més suau és la vora del material processat, la precisió del mecanitzat corresponent és més alta.
components
2 demandes bàsiques dels làsers ultraràpids: polsos ultracurts d'alta estabilitat i alta energia d'impuls. Generalment, es poden obtenir polsos ultracurts mitjançant la tecnologia de bloqueig de mode i es pot obtenir una alta energia d'impuls mitjançant la tecnologia d'amplificació CPA. Els components principals implicats inclouen oscil·ladors, estiradors, amplificadors i compressors. Entre ells, la tecnologia d'oscil·lador i amplificador és la més difícil, i també és la tecnologia principal d'una empresa de fabricació de làsers ultraràpids.
oscil·lador
A l'oscil·lador, s'obtenen polsos làser ultraràpids mitjançant una tècnica de bloqueig de mode.
Estirament
L'estira els polsos de llavor de femto2a separant-los en el temps per diferents longituds d'ona.
amplificador
Un amplificador xiulat s'utilitza per energitzar completament aquest pols estirat.
compressor
El compressor reuneix els espectres amplificats de diferents components i els restaura a l'amplada de femto2n, formant així polsos làser de femto2n amb una potència instantània extremadament alta.
Aplicacions
En comparació amb els làsers nano2nd i milli2nd, tot i que la potència global dels làsers ultraràpids és menor, com que actuen directament sobre l'escala de temps de les vibracions moleculars del material, realitzen un "processament en fred" en el sentit real, de manera que la precisió del processament millora considerablement.
A causa de les diferents característiques, els làsers continus d'alta potència, els làsers pulsats no ultraràpids i els làsers ultraràpids presenten grans diferències en els camps d'aplicació posteriors:
Els làsers continus d'alta potència (i els làsers quasicontinus) s'utilitzen per tallar, sinteritzar, soldadura, revestiment superficial, perforació, 3D impressió de materials metàl·lics.
Els làsers pulsats no ultraràpids s'utilitzen per al marcatge de materials no metàl·lics, el processament de materials de silici, gravat de precisió de superfícies metàl·liques, neteja de superfícies metàl·liques, soldadura de precisió de metalls, micromecanitzat de metalls.
Els làsers ultraràpids s'utilitzen per tallar i soldar materials transparents com ara vidre, PET i safir, i materials durs i fràgils. marcatge de precisió, cirurgia oftalmològica, passivació microscòpica i gravat de materials.
Des del punt de vista de l'ús, els làsers CW d'alta potència i els làsers ultraràpids gairebé no tenen cap relació de substitució mútua. Són com eixos i pinces, i les seves mides tenen els seus propis avantatges i desavantatges. Les aplicacions posteriors dels làsers pulsats no ultraràpids tenen certa superposició amb els làsers continus i els làsers ultraràpids. A partir dels resultats reals, sota la mateixa aplicació, la seva potència no és tan bona com la dels làsers continus, i la seva precisió no és tan bona com la dels làsers ultraràpids. El més destacat és el rendiment econòmic.
Especialment el làser ultraviolat nano2nd, tot i que la seva amplada de pols no arriba al nivell de pico2nd, la precisió del processament millora considerablement en comparació amb altres làsers nano2nd de color, i s'ha utilitzat àmpliament en el processament i la fabricació de productes 3C. En el futur, a mesura que disminueixi el cost dels làsers ultraràpids, podria ocupar el mercat ultraviolat nano2nd.
Els làsers ultraràpids permeten el processament en fred en un sentit real i tenen avantatges significatius en el processament de precisió. A mesura que la tecnologia de producció de làsers ultraràpids madura gradualment, el cost disminueix gradualment. En el futur, s'espera que s'utilitzin àmpliament en biologia mèdica, aeroespacial, electrònica de consum, il·luminació, medi ambient energètic, maquinària de precisió i altres indústries subjacents.
Cosmetologia mèdica
Els làsers ultraràpids es poden utilitzar en equips de cirurgia ocular mèdica i dispositius cosmètics. El làser Femto2nd s'utilitza en la cirurgia de miopia i es coneix com "una altra revolució en la cirurgia refractiva" després de la tecnologia d'aberració del front d'ona. L'eix ocular dels pacients miops és més gran que l'eix ocular normal, de manera que en l'estat de relaxació del globus ocular, el focus dels raigs de llum paral·lels després de la refracció pel sistema refractiu de l'ull cau davant de la retina. La cirurgia làser Femto2nd pot eliminar l'excés de múscul a la dimensió axial i restaurar la distància axial a la normalitat. La cirurgia làser Femto2nd té els avantatges d'una alta precisió, alta seguretat, alta estabilitat, curt temps d'operació i alta comoditat, i s'ha convertit en un dels mètodes de cirurgia de miopia més populars.
Pel que fa a la bellesa, els làsers ultraràpids es poden utilitzar per eliminar pigments i lunars nadius, eliminar tatuatges i millorar l'envelliment de la pell.
Electrònica de Consum
Els làsers ultraràpids són adequats per al processament de materials transparents durs i fràgils, el processament de pel·lícules primes, el marcatge de precisió, etc. en el procés de fabricació d'electrònica de consum. El vidre temperat per a telèfons mòbils i el safir són materials durs, fràgils i transparents representatius en les matèries primeres de l'electrònica de consum, especialment el safir, a causa de la seva alta duresa i alta fragilitat, l'eficiència i la taxa de rendiment dels mètodes de mecanitzat tradicionals són molt baixes; el safir ara s'utilitza àmpliament. S'utilitza àmpliament en rellotges intel·ligents, fundes de càmeres de telèfons mòbils, fundes de mòduls d'empremtes dactilars, etc.; el làser ultraviolat nano2nd i el làser ultraràpid són els principals mitjans tècnics per tallar el safir actualment, i l'efecte de processament del làser ultraràpid és millor que el del làser ultraviolat nano2nd. A més, els mètodes de processament utilitzats pels mòduls de càmera i els mòduls d'empremtes dactilars són principalment làsers nano2nd i pico2nd. Per al tall de pantalles flexibles de telèfons mòbils (pantalles plegables) i el corresponent 3D perforació de vidre en el futur, la tecnologia principal probablement seran els làsers ultraràpids.
Els làsers ultraràpids també tenen aplicacions importants en la fabricació de panells. Els làsers ultraràpids es poden utilitzar per tallar polaritzadors OLED, pelar i reparar durant la fabricació de LCD/OLED.
Per als OLED, els seus materials polimèrics són particularment sensibles a les influències tèrmiques. A més, la mida i l'espaiat de les cel·les fabricades actualment són molt petits, i la mida de processament restant també és molt petita. El procés de tall tradicional com abans ja no és adequat per a l'actualitat. Les necessitats de producció de la indústria, i ara hi ha requisits d'aplicació per a pantalles de formes especials i pantalles perforades, que estan més enllà de les capacitats dels oficis tradicionals. D'aquesta manera, es reflecteixen els beneficis dels làsers ultraràpids, especialment els làsers ultraviolats pico2nd o fins i tot femto2nd, que tenen una petita zona afectada per la calor i són més adequats per a aplicacions més flexibles com el processament de corbes.
Microsoldadura
Per a medis sòlids transparents com el vidre, es produiran diversos fenòmens com l'absorció no lineal, el dany per fusió, la formació de plasma, l'ablació i la propagació de fibres quan el làser de pols ultracurt es propaga pel medi. La figura mostra diversos fenòmens que es produeixen en la interacció entre el làser de pols ultracurt i el material sòlid sota diferents densitats de potència i escales de temps.
Com que la tecnologia de microsoldadura làser de polsos ultracurts no necessita inserir una capa intermèdia, té una alta eficiència, alta precisió, no té cap efecte tèrmic macroscòpic i té propietats mecàniques i òptiques relativament ideals després del tractament de microsoldadura, és molt adequada per a la microsoldadura de materials transparents com el vidre. Per exemple, els investigadors han soldat amb èxit taps finals a fibres òptiques estàndard i microestructurades utilitzant polsos de 70 fs i 250 kHz.
Il·luminació de pantalla
L'aplicació de làsers ultraràpids en el camp de la il·luminació de pantalles es refereix principalment al marcatge i tall de làmines LED. Aquest és un altre exemple de làsers ultraràpids adequats per processar materials durs i fràgils. El processament làser ultraràpid té una alta planitud de secció transversal i una reducció significativa de l'esquerdament de les vores. L'eficiència i la precisió milloren considerablement.
Energia fotovoltaica
Els làsers ultraràpids tenen un ampli espai d'aplicació en la fabricació de cèl·lules fotovoltaiques. Per exemple, en la fabricació de bateries de pel·lícula fina CIGS, els làsers ultraràpids poden substituir el procés original de traçat mecànic i millorar significativament la qualitat del traçat, especialment per als enllaços de traçat P2 i P3, que poden aconseguir gairebé sense estellat ni esquerdes ni tensions residuals.
aeroespacial
Per tal de millorar el rendiment i la vida útil de les pales de la turbina, i després millorar el rendiment del motor, cal adoptar la tecnologia de refrigeració per pel·lícula d'aire, que planteja uns requisits extremadament alts per a la tecnologia de processament de forats de pel·lícula d'aire. El 2018, l'Institut d'Òptica i Mecànica de Xi'an va desenvolupar la màxima energia de pols individual a la Xina. El làser de fibra femto26nd de grau industrial de 2 watts i el desenvolupament d'una sèrie d'equips de fabricació extrema amb làser ultraràpid van aconseguir un gran avenç en el "processament en fred" de forats de pel·lícula d'aire en pales de turbines de motors aeronàutics, omplint el buit intern. Aquest mètode de processament és més avançat que l'EDM. La precisió del mètode és més alta i la taxa de rendiment millora considerablement.
Els làsers ultraràpids també es poden aplicar al mecanitzat de precisió de materials compostos reforçats amb fibra, i la millora de la precisió del mecanitzat ajudarà a ampliar l'aplicació de materials compostos com la fibra de carboni en l'aeroespacial i altres camps d'alta gamma.
Àmbit de recerca
La tecnologia de polimerització de 2 fotons (2PP) és una "nanoòptica" 3D mètode d'impressió, similar a la tecnologia de prototipatge ràpid de curat per llum, i el futurista Christopher Barnatt creu que aquesta tecnologia pot convertir-se en una forma dominant de 3D impressió en el futur. El principi de la tecnologia de polimerització de 2 fotons és curar selectivament la resina fotosensible mitjançant l'ús de "làser de pols femto2". Sembla un prototipatge ràpid de fotocurat, la diferència és que el gruix mínim de capa i la resolució de l'eix XY que pot aconseguir la tecnologia de polimerització de 2 fotons es troben entre 100 nm i 200 nm. En altres paraules, 2PP 3D La tecnologia d'impressió és centenars de vegades més precisa que la tecnologia tradicional de modelat per curat amb llum, i els objectes impresos són més petits que els bacteris.
Actualment, el preu dels làsers ultraràpids encara és relativament car. Com a pioners en la indústria, STYLECNC ja produeix equips de processament làser ultraràpids i ha obtingut bons comentaris del mercat. S'han llançat equips de tall de precisió làser per a mòduls OLED basats en tecnologia làser ultraràpida, equips de marcatge làser ultraràpids (picosegons/femtosegons), equips de processament làser de bisellat de vidre per a pantalles de visualització infraroja pico2nd i oblies de vidre infrarojes pico2nd, equips de tall per làser, màquina de tall invisible automàtica per a LED, oblies de semiconductors màquina de tall per làser, equips de tall de cobertes de vidre per a mòduls d'identificació d'empremtes dactilars, línies de producció en massa de pantalles flexibles i una sèrie de productes làser ultraràpids.
Pros Contres
pros
El làser ultraràpid és una de les importants direccions de desenvolupament en el camp del làser. Com a tecnologia emergent, té avantatges significatius en el micromecanitzat de precisió. El pols ultracurt generat pel làser ultraràpid interactua amb el material durant molt poc temps i no aporta calor als materials circumdants, per la qual cosa el processament làser ultraràpid també s'anomena processament en fred. Això es deu al fet que, quan l'amplada del pols làser arriba al nivell de pico2n o femto2n, es pot evitar en gran mesura la influència sobre el moviment tèrmic molecular, la qual cosa resulta en una menor influència tèrmica.
Per exemple, quan tallem ous en conserva amb un ganivet de cuina rom, sovint tallem els ous en conserva a trossos fins. Si trieu un mètode de tall amb una vora de ganivet particularment afilada que talli el desastre ràpidament, els ous en conserva es tallaran de manera uniforme i bonica. Aquest és l'avantatge de ser súper ràpid.
Contres
Les indústries de fabricació d'alta gamma, com ara els circuits integrats i els panells, tenen uns requisits extremadament alts pel que fa als equips de processament làser, i hi ha el risc que els avenços tecnològics no compleixin les expectatives.
El preu dels làsers ultraràpids és alt, i canviar a un nou proveïdor de làser comporta el risc de no poder expandir el mercat com s'esperava tant per als fabricants d'equips làser com per als usuaris més recents.
