Definicija
Ultrahitri laser je vrsta ultraintenzivnega ultrakratkopulznega laserja s širino impulza manjšo od ali znotraj pikosekundne ravni (2-10 s), ki je definirana na podlagi valovne oblike izhodne energije. Ta definicija je povezana z "ultrahitrimi pojavi". Ultrahitri pojav se nanaša na pojav, ki se pojavi v fizikalnem, kemijskem ali biološkem procesu, ki se hitro spreminja v mikroskopskem sistemu snovi. V atomskem in molekularnem sistemu je časovna lestvica gibanja atomov in molekul v vrstnem redu pikosekund do femtosekund. Na primer, obdobje molekularne rotacije je v vrstnem redu pikosekund, obdobje vibracij pa v vrstnem redu femtosekund. Ko širina laserskega impulza doseže raven pikosekundne ali femtosekunde, se lahko v veliki meri izogne vplivu na celotno toplotno gibanje molekul (toplotno gibanje molekul je mikroskopsko bistvo temperature snovi) in material se ustvari v časovni lestvici molekularnih vibracij. To pomeni, da se toplotni učinek ob doseganju namena obdelave močno zmanjša.
Vrste
Obstaja veliko metod klasifikacije laserjev, med katerimi so 4 najpogosteje uporabljene metode klasifikacije, vključno z klasifikacijo po delovni snovi, klasifikacijo po valovni obliki izhodne energije (delovni način), klasifikacijo po izhodni valovni dolžini (barva) in klasifikacijo po moči.
Med njimi lahko laserje glede na valovno obliko izhodne energije razdelimo na neprekinjene laserje, impulzne laserje in kvazikontinuirane laserje:
Kontinuirani laser
Gre za laser, ki med delovnim časom neprekinjeno oddaja stabilne energijske valovne oblike. Odlikuje ga visoka moč in lahko obdeluje materiale z veliko prostornino in visokim tališčem, kot so kovinske plošče.
Impulzni laser
Energijo oddaja v obliki impulzov. Glede na širino impulza jih lahko nadalje razdelimo na mili2nd laserje, mikro2nd laserje, nano2nd izklopne naprave, pico2nd laserje, femto2nd laserje in atto2nd laserje; na primer, če je širina impulza izhodnega laserja med 1 in 1000 ns, jih imenujemo nano2nd laserji itd. Imenujemo jih pico2nd laserji, femto2nd laserji, atto2nd laserji in ultrahitri laserji. Moč impulznega laserja je veliko nižja od moči neprekinjenega laserja, vendar je natančnost obdelave višja kot pri neprekinjenem laserju in na splošno velja, da ožja kot je širina impulza, večja je natančnost obdelave.
Kvazi-kontinuirni laser
V določenem obdobju lahko večkrat oddaja relativno visokoenergijski laser, teoretično pa je tudi pulzni laser.
Valovne oblike izhodne energije zgornjih treh laserjev lahko opišemo tudi s parametrom "delovni cikel". Pri laserju lahko delovni cikel interpretiramo kot razmerje med časom izhodne laserske energije in skupnim časom znotraj impulznega cikla.
Delovni cikel CW laserja (=1) > delovni cikel kvazi-CW laserja > delovni cikel pulznega laserja. Na splošno velja, da ožja kot je širina impulza pulznega laserja, nižji je delovni cikel.
Na področju obdelave materialov so bili impulzni laserji sprva prehodni produkt kontinuirnih laserjev. To je zato, ker izhodna moč kontinuirnih laserjev zaradi vpliva dejavnikov, kot so nosilnost osrednjih komponent in raven tehnologije v zgodnji fazi, ne more biti zelo visoka, materiala pa ni mogoče segreti do tališča. S tem se doseže namen obdelave. Če se z določenimi tehničnimi sredstvi koncentrira izhodna energija laserja na en sam impulz, se trenutna moč v času impulza sicer ne spremeni, kar zadosti zahtevam obdelave materialov. Kasneje se je tehnologija kontinuirnih laserjev postopoma razvijala in ugotovilo se je, da ima impulzni laser veliko prednost pri natančnosti obdelave. To je zato, ker je toplotni učinek impulznega laserja na materiale manjši, in ožja kot je širina laserskega impulza, manjši je toplotni učinek in bolj gladek kot je rob obdelanega materiala, ustrezna natančnost obdelave pa je višja.
Sestavni deli
Dve osnovni zahtevi za ultrahitre laserje: visoka stabilnost ultrakratkih impulzov in visoka energija impulzov. Na splošno je ultrakratke impulze mogoče doseči z uporabo tehnologije zaklepanja modov, visoko energijo impulzov pa z uporabo tehnologije ojačevanja CPA. Med osrednjimi komponentami so oscilatorji, raztegovalniki, ojačevalniki in kompresorji. Med njimi sta tehnologija oscilatorja in ojačevalnika najzahtevnejši in sta tudi osrednja tehnologija podjetja za proizvodnjo ultrahitrih laserjev.
Oscilator
V oscilatorju se ultrahitri laserski impulzi pridobivajo z uporabo tehnike zaklepanja modov.
Nosila
Raztegovalnik časovno raztegne impulze femto2. semena za različne valovne dolžine.
ojačevalnik
Za popolno napajanje tega raztegnjenega impulza se uporablja ojačevalnik s čirpiranjem.
Kompresor
Kompresor združi ojačane spektre različnih komponent in jih obnovi na širino femto2nd, s čimer tvori femto2nd laserske impulze z izjemno visoko trenutno močjo.
Aplikacije
V primerjavi z nano2nd in milli2nd laserji, čeprav je skupna moč ultrahitrih laserjev nižja, ker neposredno delujejo na časovno lestvico molekularnih vibracij materiala, v pravem pomenu besede dosežejo "hladno obdelavo", zato se natančnost obdelave močno izboljša.
Zaradi različnih lastnosti se visokozmogljivi neprekinjeni laserji, neultrahitri impulzni laserji in ultrahitri laserji zelo razlikujejo na področjih nadaljnje uporabe:
Visokozmogljivi neprekinjeni laserji (in kvazi-neprekinjeni laserji) se uporabljajo za rezanje, sintranje, varjenje, površinska obloga, vrtanje, 3D tiskanje kovinskih materialov.
Neultrahitri pulzni laserji se uporabljajo za označevanje nekovinskih materialov, obdelavo silicijevih materialov, precizno graviranje kovinskih površin, čiščenje kovinskih površin, precizno varjenje kovin, mikroobdelava kovin.
Ultrahitri laserji se uporabljajo za rezanje in varjenje prozornih materialov, kot so steklo, PET in safir, ter trdih in krhkih materialov. natančno označevanje, oftalmološka kirurgija, mikroskopska pasivizacija in jedkanje materialov.
Z vidika uporabe se visokozmogljivi kontinuirni laserji in ultrahitri laserji skoraj ne morejo medsebojno nadomeščati. So kot sekire in pincete, njihove velikosti pa imajo svoje prednosti in slabosti. Nadaljnje aplikacije neultrahitrih pulznih laserjev se nekoliko prekrivajo z neprekinjenimi in ultrahitrimi laserji. Dejanski rezultati kažejo, da pri isti uporabi njihova moč ni tako dobra kot pri neprekinjenih laserjih, njihova natančnost pa ni tako dobra kot pri ultrahitrih laserjih. Bolj izstopajo stroški in učinkovitost.
Še posebej ultravijolični laser nano2nd, čeprav njegova širina impulza ne dosega ravni pico2nd, je natančnost obdelave v primerjavi z drugimi barvnimi laserji nano2nd močno izboljšana, zato se pogosto uporablja pri obdelavi in proizvodnji izdelkov 3C. V prihodnosti bi lahko z zniževanjem stroškov ultrahitrih laserjev zasedel trg ultravijoličnih laserjev nano2nd.
Ultrahitri laserji omogočajo hladno obdelavo v resničnem smislu in imajo znatne prednosti pri natančni obdelavi. Z razvojem proizvodne tehnologije ultrahitrih laserjev se stroški postopoma znižujejo. V prihodnosti se pričakuje, da se bodo široko uporabljali v medicinski biologiji, vesoljski industriji, potrošniški elektroniki, razsvetljavi, energetskem okolju, preciznih strojih in drugih industrijah.
Medicinska kozmetologija
Ultrahitri laserji se lahko uporabljajo v medicinski opremi za očesno kirurgijo in kozmetičnih pripomočkih. Femto2nd laser se uporablja pri operacijah kratkovidnosti in je znan kot "še ena revolucija v refraktivni kirurgiji" po tehnologiji aberacije valovne fronte. Os očesa pri bolnikih z kratkovidnostjo je večja od normalne osi očesa, tako da v stanju sprostitve zrkla fokus vzporednih svetlobnih žarkov po lomu refraktivnega sistema očesa pade pred mrežnico. Femto2nd laserska operacija lahko odstrani odvečno mišico v aksialni dimenziji in povrne normalno aksialno razdaljo. Femto2nd laserska operacija ima prednosti visoke natančnosti, visoke varnosti, visoke stabilnosti, kratkega časa delovanja in visokega udobja ter je postala ena najbolj priljubljenih metod operacije kratkovidnosti.
Kar zadeva lepoto, se ultra hitri laserji lahko uporabljajo za odstranjevanje pigmenta in avtohtonih materinih znamenj, odstranjevanje tetovaž in izboljšanje staranja kože.
Zabavna elektronika
Ultrahitri laserji so primerni za obdelavo trdih in krhkih prozornih materialov, obdelavo tankih filmov, natančno označevanje itd. v proizvodnem procesu potrošniške elektronike. Kaljeno steklo za mobilne telefone in safir sta reprezentativna trda, krhka in prozorna materiala v surovinah za potrošniško elektroniko, zlasti safir. Zaradi visoke trdote in krhkosti sta učinkovitost in izkoristek tradicionalnih metod obdelave zelo nizka; safir se danes pogosto uporablja v pametnih urah, ohišjih za kamere mobilnih telefonov, ohišjih za module za prstne odtise itd.; ultravijolični laser nano2nd in ultrahitri laser sta trenutno glavna tehnična sredstva za rezanje safirja, učinek obdelave ultrahitrega laserja pa je boljši od učinka ultravijoličnega laserja nano2nd. Poleg tega se moduli kamer in moduli za prstne odtise uporabljajo predvsem z laserji nano2nd in pico2nd. Za rezanje fleksibilnih zaslonov mobilnih telefonov (zložljivih zaslonov) in ustreznih... 3D Pri vrtanju stekla v prihodnosti bodo najverjetneje prevladujoča tehnologija ultrahitri laserji.
Ultrahitri laserji imajo pomembno uporabo tudi pri izdelavi panelov. Ultrahitri laserji se lahko uporabljajo za rezanje OLED polarizatorjev, luščenje in popravilo med proizvodnjo LCD/OLED zaslonov.
Pri OLED-ih so polimerni materiali še posebej občutljivi na toplotne vplive. Poleg tega sta velikost in razmik celic, ki se trenutno izdelujejo, zelo majhna, prav tako pa je zelo majhna tudi preostala velikost obdelave. Tradicionalni postopek izsekovanja, kot je bil prej, danes ni več primeren. Proizvodne potrebe industrije in zdaj obstajajo zahteve po uporabi za posebne oblike zaslonov in perforiranih zaslonov, ki presegajo zmogljivosti tradicionalnih obrti. Na ta način se odražajo prednosti ultrahitrih laserjev, zlasti pico2nd ultravijoličnih ali celo femto2nd laserjev, ki imajo majhno območje toplotnega vpliva in so bolj primerni za bolj prilagodljive aplikacije, kot je obdelava krivulj.
Mikro varjenje
Pri prozornih trdnih medijih, kot je steklo, se pri širjenju ultrakratkih impulzov laserja v mediju pojavijo različni pojavi, kot so nelinearna absorpcija, poškodbe zaradi taljenja, nastanek plazme, ablacija in širjenje vlaken. Slika prikazuje različne pojave, ki se pojavljajo pri interakciji med ultrakratkimi impulzi laserja in trdnim materialom pri različnih gostotah moči in časovnih skalah.
Ker tehnologija mikrovarjenja z ultra kratkimi impulzi laserja ne potrebuje vstavljanja vmesne plasti, ima visoko učinkovitost, visoko natančnost, nima makroskopskega toplotnega učinka in ima po mikrovarjenju relativno idealne mehanske in optične lastnosti, je zelo primerna za mikrovarjenje prozornih materialov, kot je steklo. Raziskovalci so na primer uspešno privarili končne pokrovčke na standardna in mikrostrukturirana optična vlakna z uporabo impulzov 70 fs in 250 kHz.
Osvetlitev zaslona
Uporaba ultrahitrih laserjev na področju osvetlitve zaslonov se nanaša predvsem na graviranje in rezanje LED rezin. To je še en primer ultrahitrih laserjev, ki so primerni za obdelavo trdih in krhkih materialov. Ultrahitra laserska obdelava ima visoko ravnost prečnega prereza in znatno zmanjšano krušenje robov. Učinkovitost in natančnost sta močno izboljšani.
Fotovoltaična energija
Ultrahitri laserji imajo širok prostor za uporabo pri izdelavi fotovoltaičnih celic. Na primer, pri izdelavi tankoplastnih baterij CIGS lahko ultrahitri laserji nadomestijo prvotni mehanski postopek graviranja in znatno izboljšajo kakovost graviranja, zlasti pri členih graviranja P2 in P3, kjer se skoraj ne pojavijo krušenje, razpoke in preostale napetosti.
Aerospace
Da bi izboljšali zmogljivost in življenjsko dobo turbinskih lopatic ter nato izboljšali zmogljivost motorja, je treba uporabiti tehnologijo hlajenja z zračnim filmom, ki postavlja izjemno visoke zahteve za tehnologijo obdelave lukenj v zračnem filmu. Leta 2018 je Inštitut za optiko in mehaniko Xi'an razvil najvišjo energijo posameznega impulza na Kitajskem. 26-vatni industrijski femto2nd vlakenski laser in razvil serijo ultra hitre laserske opreme za ekstremno proizvodnjo je dosegel preboj pri "hladni obdelavi" lukenj v zračnem filmu v lopaticah turbin letalskih motorjev in zapolnil domačo vrzel. Ta metoda obdelave je naprednejša od EDM. Natančnost metode je višja, izkoristek pa se je močno izboljšal.
Ultrahitri laserji se lahko uporabljajo tudi za natančno obdelavo kompozitnih materialov, ojačanih z vlakni, izboljšanje natančnosti obdelave pa bo pripomoglo k razširitvi uporabe kompozitnih materialov, kot so ogljikova vlakna, v vesoljski in drugih visokokakovostnih panogah.
Raziskovalno polje
Tehnologija 2-fotonske polimerizacije (2PP) je "nano-optična" 3D metoda tiskanja, podobna tehnologiji hitrega prototipiranje s svetlobnim strjevanjem, in futurist Christopher Barnatt verjame, da bi ta tehnologija lahko postala glavna oblika 3D tiskanje v prihodnosti. Načelo tehnologije 2-fotonske polimerizacije je selektivno strjevanje fotoobčutljive smole z uporabo "femto2nd pulznega laserja". Sliši se kot fotostrjevanje s hitro izdelavo prototipov, razlika je v tem, da sta minimalna debelina sloja in ločljivost osi XY, ki ju lahko doseže tehnologija 2-fotonske polimerizacije, med 100 nm in 200 nm. Z drugimi besedami, 2PP 3D Tehnologija tiskanja je stokrat natančnejša od tradicionalne tehnologije svetlobnega strjevanja, natisnjene stvari pa so manjše od bakterij.
Trenutno je cena ultrahitrih laserjev še vedno relativno visoka. Kot pionir v industriji, STYLECNC že proizvaja ultrahitro lasersko obdelovalno opremo in je dosegel dobre odzive na trgu. Predstavili so opremo za lasersko precizno rezanje OLED modulov na osnovi ultrahitre laserske tehnologije, ultrahitro (pikosekundno/femtosekundno) lasersko označevalno opremo, opremo za lasersko obdelavo stekla za infrardeče zaslone pico2nd in infrardeče steklene rezine pico2nd, avtomatski nevidni stroj za rezanje LED kock in polprevodniške rezine. laserski stroj za rezanje, oprema za rezanje steklenih pokrovov za module za identifikacijo prstnih odtisov, linije za masovno proizvodnjo fleksibilnih zaslonov in serija ultra hitrih laserskih izdelkov.
Prednosti, slabosti
Prednosti
Ultrahitri laser je ena od pomembnih razvojnih smeri na področju laserjev. Kot nova tehnologija ima znatne prednosti pri natančni mikroobdelavi. Ultrakratki impulz, ki ga ustvari ultrahitri laser, zelo kratek čas interagira z materialom in ne segreva okoliških materialov, zato se ultrahitra laserska obdelava imenuje tudi hladna obdelava. To je zato, ker se lahko, ko širina laserskega impulza doseže raven pico2nd ali femto2nd, v veliki meri izognemo vplivu na molekularno toplotno gibanje, kar ima za posledico manjši toplotni vpliv.
Na primer, ko konzervirana jajca režemo s topim kuhinjskim nožem, jih pogosto narežemo na drobne koščke. Če izberete metodo rezanja s posebej ostrim robom noža, ki hitro odreže nered, bodo konzervirana jajca enakomerno in lepo narezana. To je prednost super hitrosti.
Proti
Visokozmogljive predelovalne industrije, kot so integrirana vezja in plošče, imajo izjemno visoke zahteve glede opreme za lasersko obdelavo in obstaja tveganje, da tehnološki preboji ne bodo izpolnili pričakovanj.
Cena ultra hitrih laserjev je visoka, prehod na novega dobavitelja laserjev pa predstavlja tveganje, da ne bo mogel razširiti trga, kot je bilo pričakovano, tako za proizvajalce laserske opreme kot za najbolj nadaljnje uporabnike.
