Definiție
Laserul ultrarapid este un tip de laser cu impulsuri ultra-scurte cu lățimea impulsului mai mică decât sau în cadrul nivelului pico2nd (10-12s), care este definit pe baza formei de undă de ieșire a energiei. Această definiție este legată de „fenomene ultrarapide”. Fenomenul ultrarapid se referă la un fenomen care are loc într-un proces fizic, chimic sau biologic care se modifică rapid în sistemul microscopic al materiei. În sistemul atomic și molecular, scara de timp a mișcării atomilor și moleculelor este de ordinul picosecundelor până la femtosecunde. De exemplu, perioada de rotație moleculară este de ordinul picosecundelor, iar perioada de vibrație este de ordinul femtosecundelor. Când lățimea impulsului laser atinge nivelul de pico2nd sau femtosecundă, poate evita în mare măsură influența asupra mișcării termice generale a moleculelor (mișcarea termică a moleculelor este esența microscopică a temperaturii materiei), iar materialul este generat pe scara de timp a vibrației moleculare. Influență, astfel încât, în timp ce se atinge scopul prelucrării, efectul termic este mult redus.
Tipuri de
Există multe metode de clasificare pentru lasere, printre care există 4 metode de clasificare cele mai frecvent utilizate, inclusiv clasificarea după substanța de lucru, clasificarea după forma de undă de ieșire a energiei (modul de lucru), clasificarea după lungimea de undă de ieșire (culoare) și clasificarea după putere.
Printre acestea, în funcție de forma de undă de ieșire a energiei, laserele pot fi împărțite în lasere continue, lasere pulsate și lasere cvasi-continue:
Laser continuu
Este un laser care emite continuu forme de undă de energie stabilă în timpul orelor de lucru. Se caracterizează prin putere mare și poate prelucra materiale cu volum mare și punct de topire ridicat, cum ar fi plăcile metalice.
Laser pulsat
Emite energie sub formă de impulsuri. În funcție de lățimea impulsului, acesta poate fi împărțit în continuare în lasere mili2nd, lasere micro2nd, dispozitive de oprire nano2nd, lasere pico2nd, lasere femto2nd și lasere atto2nd; de exemplu, dacă un laser cu impulsuri Lățimea impulsului laserului de ieșire este între 1-1000ns, pe care le numim laser nano2nd și așa mai departe. Numim lasere pico2nd, laser femto2nd, lasere atto2nd și lasere ultrarapide. Puterea laserului cu impulsuri este mult mai mică decât cea a laserului continuu, dar precizia de procesare este mai mare decât cea a laserului continuu și, în general, cu cât lățimea impulsului este mai îngustă, cu atât este mai mare precizia de procesare.
Laser cvasi-CW
Poate scoate în mod repetat un laser de energie relativ mare într-o anumită perioadă și este, de asemenea, un laser cu impulsuri, în teorie.
Formele de undă de ieșire a energiei ale celor 3 lasere de mai sus pot fi descrise și de parametrul „ciclu de lucru”. Pentru un laser, ciclul de lucru poate fi interpretat ca raportul dintre timpul de ieșire a energiei laser în raport cu timpul total dintr-un ciclu de impuls.
Ciclu de lucru al laserului CW (=1) > ciclu de lucru al laserului cvasi-CW > ciclu de lucru al laserului pulsat. În general, cu cât este mai îngustă lățimea impulsului laserului cu impulsuri, cu atât ciclul de lucru este mai mic.
În domeniul prelucrării materialelor, laserele pulsate au fost inițial un produs de tranziție al laserelor continue. Acest lucru se datorează faptului că puterea de ieșire a laserelor continue nu poate fi foarte mare din cauza influenței unor factori precum capacitatea portantă a componentelor miezului și nivelul de tehnologie în stadiul incipient, iar materialul nu poate fi încălzit până la punctul de topire. Cele de mai sus realizează scopul prelucrării. Dacă se utilizează anumite mijloace tehnice pentru a concentra energia de ieșire a laserului pe un singur impuls, astfel încât, deși puterea totală a laserului nu se modifică, puterea instantanee în momentul impulsului este mult crescută, ceea ce satisface cerințele de prelucrarea materialelor. Mai târziu, tehnologia laserului continuu s-a maturizat treptat și s-a constatat că laserul pulsat are un mare avantaj în precizia procesării. Acest lucru se datorează faptului că efectul termic al laserului pulsat asupra materialelor este mai mic, iar cu cât lățimea impulsului laser este mai îngustă, cu atât efectul termic este mai mic și cu cât marginea materialului prelucrat este mai netedă, precizia de prelucrare corespunzătoare este mai mare.
Componente
2 cerințe de bază ale laserelor ultrarapide: puls ultrascurt de stabilitate ridicată și energie puls ridicată. În general, impulsurile ultrascurte pot fi obținute utilizând tehnologia de blocare a modului, iar o energie mare a impulsurilor poate fi obținută prin utilizarea tehnologiei de amplificare CPA. Componentele de bază implicate includ oscilatoare, brancardiere, amplificatoare și compresoare. Dintre acestea, tehnologia oscilatorului și a amplificatorului sunt cele mai dificile și sunt, de asemenea, tehnologia de bază a unei companii de producție de laser ultrarapide.
Oscilatorul
În oscilator, impulsurile laser ultrarapide sunt obținute folosind o tehnică de blocare a modului.
Targă
Targa întinde impulsurile de semințe femto2nd în timp, cu diferite lungimi de undă.
Amplificator
Un amplificator ciripit este folosit pentru a energiza pe deplin acest puls întins.
Compresor
Compresorul reunește spectrele amplificate ale diferitelor componente și le restabilește la lățimea femto2nd, formând astfel impulsuri laser femto2nd cu putere instantanee extrem de mare.
Aplicatii
În comparație cu laserele nano2nd și mili2nd, deși puterea totală a laserelor ultrarapide este mai mică, deoarece acționează direct pe scara de timp a vibrațiilor moleculare ale materialelor, realizează „prelucrare la rece” în adevăratul sens, astfel încât acuratețea procesării este mult îmbunătățită.
Datorită diferitelor caracteristici, laserele continue de mare putere, laserele cu impulsuri neultrarapide și laserele ultrarapide au diferențe mari în domeniile de aplicare din aval:
Laserele continue de mare putere (și laserele cvasi-continue) sunt utilizate pentru tăiere, sinterizare, sudare, placarea suprafeței, foraj, 3D imprimarea materialelor metalice.
Laserele pulsate non-ultrarapide sunt utilizate pentru marcarea materialelor nemetalice, prelucrarea materialelor de siliciu, gravare de precizie a suprafetelor metalice, curatarea suprafetelor metalice, sudarea de precizie a metalelor, microprelucrarea metalelor.
Laserele ultrarapide sunt folosite pentru tăierea și sudarea materialelor transparente, cum ar fi sticla, PET și safir și materiale dure și fragile, marcare de precizie, chirurgie oftalmica, pasivare microscopica si gravare a materialelor.
Din punct de vedere al utilizării, laserele CW de mare putere și laserele ultrarapide nu au aproape nicio relație de substituție reciprocă. Sunt ca topoarele și penseta, iar dimensiunile lor au propriile avantaje și dezavantaje. Aplicațiile din aval ale laserelor pulsate non-ultrarapide au o oarecare suprapunere cu laserele continue și laserele ultrarapide. Din rezultatele reale, sub aceeași aplicație, puterea sa nu este la fel de bună ca cea a laserelor continue, iar acuratețea sa nu este la fel de bună ca cea a laserelor ultrarapide. Cu atât mai proeminentă este performanța costurilor.
În special laserul ultraviolet nano2nd, deși lățimea pulsului nu atinge nivelul pico2nd, dar precizia de procesare este mult îmbunătățită în comparație cu alte lasere color nano2nd, a fost utilizat pe scară largă în procesarea și fabricarea produselor 3C. În viitor, pe măsură ce costul laserelor ultrarapide scade, acesta ar putea ocupa piața ultravioletă nano2nd.
Laserele ultrarapide realizează procesarea la rece într-un sens real și au avantaje semnificative în prelucrarea de precizie. Pe măsură ce tehnologia de producție a laserelor ultrarapide se maturizează treptat, costul scade treptat. În viitor, este de așteptat să fie utilizat pe scară largă în biologie medicală, aerospațială, electronice de larg consum, afișaj de iluminat, mediu energetic, mașini de precizie și alte industrii din aval.
Cosmetica medicala
Laserele ultrarapide pot fi utilizate în echipamentele medicale de chirurgie oculară și dispozitivele cosmetice. Laserul Femto2nd este folosit în chirurgia miopiei și este cunoscut drept „o altă revoluție în chirurgia refractivă” după tehnologia aberației frontului de undă. Axa oculară a pacienților miopi este mai mare decât axa oculară normală, astfel încât, în starea de relaxare a globului ocular, focalizarea razelor de lumină paralele după refracția de către sistemul de refracție al ochiului cade în fața retinei. Chirurgia cu laser Femto2nd poate elimina excesul de mușchi în dimensiunea axială și poate restabili distanța axială la normal. Chirurgia cu laser Femto2nd are avantajele unei precizii ridicate, siguranței ridicate, stabilității ridicate, timpului scurt de operare și confortului ridicat și a devenit una dintre cele mai populare metode de chirurgie a miopiei.
În ceea ce privește frumusețea, laserele ultra-rapide pot fi folosite pentru a îndepărta pigmentul și alunițele native, pentru a îndepărta tatuajele și pentru a îmbunătăți îmbătrânirea pielii.
Electronice de larg consum:
Laserele ultrarapide sunt potrivite pentru prelucrarea materialului transparent dur și fragil, prelucrarea filmelor subțiri, marcarea de precizie etc. în procesul de fabricație a electronicelor de larg consum. Sticla călită și safirul pentru telefoane mobile sunt materiale reprezentative dure, fragile și transparente în materiile prime electronice de larg consum, în special safirul, datorită durității sale ridicate și fragilității ridicate, eficiența și rata de randament a metodelor tradiționale de prelucrare sunt foarte scăzute; safirul este acum utilizat pe scară largă Este utilizat pe scară largă în ceasurile inteligente, capacele camerelor pentru telefoane mobile, capacele modulelor de amprentă etc.; Laserul ultraviolet nano2nd și laserul ultrarapid sunt principalele mijloace tehnice de tăiere a safirului în prezent, iar efectul de procesare al laserului ultrarapid este mai bun decât cel al laserului ultraviolet nano2nd. În plus, metodele de procesare utilizate de modulele camerei și modulele de amprentă sunt în principal laserele nano2nd și pico2nd. Pentru tăierea ecranelor flexibile pentru telefoane mobile (ecrane pliabile) și a celor corespunzătoare 3D găurirea sticlei în viitor, tehnologia principală va fi cel mai probabil lasere ultrarapide.
Laserele ultrarapide au, de asemenea, aplicații importante în fabricarea panourilor. Laserele ultrarapide pot fi utilizate pentru tăierea polarizatoarelor OLED, decojirea și repararea în timpul producției LCD/OLED.
Pentru OLED-uri, materialele sale polimerice sunt deosebit de sensibile la influențele termice. În plus, dimensiunea și distanța dintre celulele realizate în prezent sunt foarte mici, iar dimensiunea de procesare rămasă este, de asemenea, foarte mică. Procesul tradițional de tăiere ca înainte nu mai este potrivit pentru astăzi. Nevoile de producție ale industriei, iar acum există cerințe de aplicare pentru ecrane cu forme speciale și ecrane perforate, care depășesc capacitățile meșteșugurilor tradiționale. În acest fel, beneficiile laserelor ultrarapide sunt reflectate, în special laserele pico2nd ultraviolete sau chiar femto2nd, care au o zonă mică afectată de căldură și sunt mai potrivite pentru aplicații mai flexibile precum procesarea curbelor.
Microsudura
Pentru mediile solide transparente, cum ar fi sticla, diverse fenomene cum ar fi absorbția neliniară, deteriorarea prin topire, formarea plasmei, ablația și propagarea fibrelor vor avea loc atunci când laserul cu impuls ultrascurt se propagă în mediu. Figura prezintă diferite fenomene care apar în interacțiunea dintre laserul cu impuls ultrascurt și materialul solid la diferite densități de putere și scări de timp.
Deoarece tehnologia de microsudare cu laser cu impuls ultrascurt nu trebuie să insereze un strat intermediar, are eficiență ridicată, precizie ridicată, fără efect termic macroscopic și are proprietăți mecanice și optice relativ ideale după tratamentul de microsudare, este foarte potrivită pentru micro-sudarea materialelor transparente precum sticla. De exemplu, cercetătorii au sudat cu succes capace de capăt la fibre optice standard și microstructurate folosind impulsuri de 70 fs, 250 kHz.
Iluminarea afișajului
Aplicarea laserelor ultrarapide în domeniul iluminării afișajelor se referă în principal la marcarea și tăierea plachetelor LED. Acesta este un alt exemplu de laser ultrarapid care este potrivit pentru prelucrarea materialelor dure și fragile. Procesarea laser ultrarapidă are o planeitate mare a secțiunii transversale și așchierea marginilor redusă semnificativ. Eficiența și acuratețea sunt mult îmbunătățite.
Energia fotovoltaică
Laserele ultrarapide au un spațiu larg de aplicare în fabricarea celulelor fotovoltaice. De exemplu, la fabricarea bateriilor cu peliculă subțire CIGS, laserele ultrarapide pot înlocui procesul original de marcare mecanică și pot îmbunătăți semnificativ calitatea marcajului, în special pentru legăturile de marcare P2 și P3, care nu pot realiza aproape nicio ciobitură și nicio fisură și stres rezidual. .
Industria aerospațială
Pentru a îmbunătăți performanța și durata de viață a palelor turbinei și apoi îmbunătățirea performanței motorului, este necesar să se adopte tehnologia de răcire a filmului de aer, care propune cerințe extrem de ridicate pentru tehnologia de prelucrare a orificiilor filmului de aer. În 2018, Institutul de Optică și Mecanică din Xi'an a dezvoltat cea mai mare energie de impuls unic din China. Laserul cu fibră femto26nd de calitate industrială de 2 de wați și a dezvoltat o serie de echipamente de producție extreme laser ultra-rapide, a realizat o descoperire în „prelucrarea la rece” a orificiilor de peliculă de aer în paletele turbinei motoarelor aero, umplând golul intern. Această metodă de procesare este mai avansată decât EDM. Precizia metodei este mai mare, iar rata de randament este mult îmbunătățită.
Laserele ultrarapide pot fi aplicate și la prelucrarea de precizie a materialelor compozite armate cu fibre, iar îmbunătățirea preciziei de prelucrare va ajuta la extinderea aplicării materialelor compozite, cum ar fi fibra de carbon, în domeniul aerospațial și în alte domenii de ultimă generație.
Domeniul de cercetare
Tehnologia de polimerizare cu 2 fotoni (2PP) este un „nano-optic” 3D metoda de imprimare, similară cu tehnologia de prototipare rapidă cu fotopolimerizare, iar futuristul Christopher Barnatt consideră că această tehnologie poate deveni o formă principală de 3D tipărirea în viitor. Principiul tehnologiei de polimerizare cu 2 fotoni este de a vindeca selectiv rășina fotosensibilă prin utilizarea „laserului cu puls femto2nd”. Sună a prototipului rapid de fotopolimerizare, diferența este că grosimea minimă a stratului și rezoluția axei XY pe care o poate atinge tehnologia de polimerizare cu 2 fotoni sunt între 100 nm și 200 nm. Cu alte cuvinte, 2PP 3D tehnologia de imprimare este de sute de ori mai precisă decât tehnologia tradițională de turnare cu fotopolimerizare, iar lucrurile imprimate sunt mai mici decât bacteriile.
În prezent, prețul laserelor ultrarapide este încă relativ scump. În calitate de pionier în industrie, STYLECNC produce deja echipamente ultrarapide de procesare cu laser și a obținut un feedback bun pe piață. Au fost lansate echipamente de tăiere de precizie cu laser pentru module OLED bazate pe tehnologie laser ultrarapidă, echipamente de marcare cu laser ultrarapide (picosecundă/femtosecundă), echipamente de prelucrare cu laser pentru teșirea sticlei pentru ecranele de afișare cu infraroșu pico2nd și napolitane de sticlă cu infraroșu pico2nd au fost lansate echipamente de tăiere cu laser, mașină automată de tăiat cu LED-uri invizibile, napolitană cu semiconductor tăiere cu laser masina, echipamente de tăiere a capacului de sticlă pentru modulele de identificare a amprentei, linii flexibile de producție în masă și o serie de produse laser ultra-rapide.
Avantaje dezavantaje
Pro
Laserul ultrarapid este una dintre direcțiile importante de dezvoltare în domeniul laserului. Ca tehnologie emergentă, are avantaje semnificative în microprelucrarea de precizie. Pulsul ultra-scurt generat de laserul ultra-rapid interacționează cu materialul pentru o perioadă foarte scurtă de timp și nu va aduce căldură materialelor din jur, așa că procesarea laser ultra-rapidă este numită și procesare la rece. Acest lucru se datorează faptului că, atunci când lățimea impulsului laser atinge nivelul pico2nd sau femto2nd, influența asupra mișcării termice moleculare poate fi evitată în mare măsură, rezultând o influență termică mai mică.
De exemplu, când tăiem ouăle conservate cu un cuțit de bucătărie tocit, deseori tăiem ouăle conservate în bucăți fine. Dacă alegeți o metodă de tăiere cu o margine deosebit de ascuțită a cuțitului, care taie rapid mizeria, ouăle conservate vor fi tăiate uniform și frumos. Acesta este avantajul de a fi super rapid.
Contra
Industriile de producție de ultimă generație, cum ar fi circuitele integrate și panourile, au cerințe extrem de ridicate pentru echipamentele de procesare cu laser și există riscul ca progresele tehnologice să nu corespundă așteptărilor.
Prețul laserelor ultra-rapide este mare, iar trecerea la un nou furnizor de lasere are riscul de a nu putea extinde piața așa cum era de așteptat atât pentru producătorii de echipamente laser, cât și pentru cei mai mulți utilizatori din aval.
