Der ultraschnelle Laser ist eine Art ultraintensiver, ultrakurz gepulster Laser mit einer Pulsbreite unterhalb oder innerhalb der Pikosekundenebene (10–12 s), die auf der Grundlage der Energieausgangswellenform definiert wird.
Der Name des Lasers basiert auf dem „ultraschnellen Phänomen“, das sich auf ein Phänomen bezieht, bei dem sich das mikroskopische System der Materie in einem physikalischen, chemischen oder biologischen Prozess schnell verändert. Im atomaren und molekularen System liegt die Zeitskala der Bewegung von Atomen und Molekülen in der Größenordnung von Pikosekunden bis Femtosekunden. Beispielsweise liegt die Periode der molekularen Rotation in der Größenordnung von Pikosekunden und die Periode der Vibration in der Größenordnung von Femtosekunden.
Wenn die Laserpulsbreite das Niveau einer Pikosekunde oder Femtosekunde erreicht, vermeidet sie weitgehend jeglichen Einfluss auf die gesamte thermische Bewegung von Molekülen, die das mikroskopische Wesen der Temperatur von Matte darstellt. Darüber hinaus wird das Material durch die Zeitskala molekularer Schwingungen beeinflusst und erzeugt, was bedeutet, dass während der Verarbeitung der thermische Effekt stark reduziert wird.
Inhaltsverzeichnis
Arten von ultraschnellen Lasern
Komponenten eines ultraschnellen Lasers
Ultraschnelle Laseranwendungen
Vor- und Nachteile eines ultraschnellen Lasers
Arten von ultraschnellen Lasern
Es gibt viele Klassifizierungsmethoden für Laser, wobei die vier am häufigsten verwendeten Klassifizierungsmethoden die Klassifizierung nach Arbeitsstoff, die Klassifizierung nach Energieausgangswellenform (Arbeitsmodus), die Klassifizierung nach Ausgangswellenlänge (Farbe) und die Klassifizierung nach Leistung sind.
Entsprechend der Wellenform der Energieabgabe können Laser in kontinuierliche Laser, gepulste Laser und quasi-kontinuierliche Laser unterteilt werden:
Kontinuierlicher Laser
Ein Dauerlaser ist ein Laser, der während der Arbeitszeit kontinuierlich stabile Energiewellenformen ausgibt. Es zeichnet sich durch hohe Leistung und die Fähigkeit aus, voluminöse Materialien mit hohem Schmelzpunkt, wie zum Beispiel Metallplatten, zu verarbeiten.
Gepulster Laser
Gepulste Laser geben Energie in Form von Impulsen ab. Je nach Pulsbreite können diese Laser weiter in Millisekundenlaser, Mikrosekundenlaser, Nanosekunden-Abschaltgeräte, Pikosekundenlaser, Femtosekundenlaser und Attosekundenlaser unterteilt werden. Wenn beispielsweise die Pulsbreite des Ausgangslasers zwischen 1 und 1000 ns liegt, würde er als Nanosekundenlaser klassifiziert. Bei Pikosekundenlasern, Femtosekundenlasern, Attosekundenlasern und ultraschnellen Lasern ist die Leistung des gepulsten Lasers viel geringer als die des kontinuierlichen Lasers, aber die Bearbeitungsgenauigkeit ist höher. Generell gilt: Je schmaler die Impulsbreite, desto höher die Verarbeitungsgenauigkeit.
Quasi-CW-Laser
Der Quasi-CW-Laser ist ein Pulslaser, der innerhalb eines bestimmten Zeitraums wiederholt einen relativ energiereichen Laser abgeben kann.
Die Energieabgabewellenformen der oben genannten drei Laser können auch durch den Parameter „Tastverhältnis“ beschrieben werden.
Bei einem Laser kann das Tastverhältnis als Verhältnis der „Zeit der Laserenergieabgabe“ zur „Gesamtzeit“ innerhalb eines Pulszyklus interpretiert werden. Also: CW-Laser-Arbeitszyklus (=1) > Quasi-CW-Laser-Arbeitszyklus > gepulster Laser-Arbeitszyklus. Generell gilt: Je schmaler die Pulsbreite des gepulsten Lasers, desto geringer das Tastverhältnis.
Im Bereich der Materialbearbeitung waren gepulste Laser zunächst ein Übergangsprodukt der kontinuierlichen Laser. Dies liegt daran, dass die Ausgangsleistung der kontinuierlichen Laser aufgrund des Einflusses von Faktoren wie der Tragfähigkeit der Kernkomponenten und dem Stand der Technik in der Anfangsphase sowie der Tatsache, dass das Material nicht erhitzt werden kann, nicht in der Lage ist, sehr hohe Werte zu erreichen der Schmelzpunkt. Diese Faktoren sind es, die den Zweck der Verarbeitung erreichen, d. h. den Bedarf an Innovation.
Die Innovation ging mit bestimmten technischen Mitteln einher, die dazu dienten, die Ausgangsenergie des Lasers auf einen einzigen Impuls zu konzentrieren. Dadurch änderte sich die Gesamtleistung des Lasers nicht mehr, die Momentanleistung zum Zeitpunkt des Impulses konnte jedoch stark ansteigen und so den Anforderungen der Materialbearbeitung gerecht werden.
Später entwickelte sich die kontinuierliche Lasertechnologie allmählich weiter und es stellte sich heraus, dass der gepulste Laser einen großen Vorteil in der Bearbeitungsgenauigkeit bietet. Dies liegt daran, dass die thermische Wirkung gepulster Laser auf Materialien geringer ist; je schmaler die Laserpulsbreite, desto geringer der thermische Effekt; Und je glatter die Kante des bearbeiteten Materials ist, desto höher ist die entsprechende Bearbeitungsgenauigkeit.
Komponenten eines ultraschnellen Lasers
Zwei der Grundvoraussetzungen dafür, dass ein Laser als Ultrakurzpulslaser gilt, sind ein ultrakurzer Puls mit hoher Stabilität und eine hohe Pulsenergie. Im Allgemeinen können ultrakurze Impulse durch den Einsatz der Modenkopplungstechnologie erhalten werden, während hohe Impulsenergien durch den Einsatz der CPA-Verstärkungstechnologie erzielt werden können.
Zu den Kernkomponenten gehören Oszillatoren, Stretcher, Verstärker und Kompressoren. Unter ihnen stellen der Oszillator und der Verstärker die größte Herausforderung dar, aber sie sind auch die Kerntechnologie hinter jedem Unternehmen, das ultraschnelle Laser herstellt.
Oszillator
Um ultraschnelle Laserpulse im Oszillator zu erhalten, wird eine Modenkopplungstechnik verwendet.
Bahre
Der Stretcher streckt die Femtosekunden-Seed-Pulse zeitlich auseinander, indem er unterschiedliche Wellenlängen verwendet.
Verstärker
Ein gechirpter Verstärker wird verwendet, um den nun gedehnten Impuls vollständig mit Energie zu versorgen.
Kompressor
Der Kompressor vereint die verstärkten Spektren der verschiedenen Komponenten und bringt sie auf die Femtosekundenbreite zurück, wodurch Femtosekunden-Laserpulse mit extrem hoher Momentanleistung entstehen.
Ultraschnelle Laseranwendungen
Im Vergleich zu Nanosekunden- und Millisekundenlasern weisen Ultrakurzpulslaser eine geringere Gesamtleistung auf. Da sie jedoch direkt auf die Zeitskala der molekularen Schwingungen des Materials einwirken, realisieren Ultrakurzpulslaser eine „Kaltbearbeitung“ im eigentlichen Sinne, was eine deutlich verbesserte Bearbeitungsgenauigkeit bedeutet.
Aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften weisen Hochleistungs-Dauerlaser, nicht-ultraschnelle gepulste Laser und Ultrakurzpulslaser große Unterschiede in den nachgelagerten Anwendungsfeldern auf:
Hochleistungs-Dauerlaser (und quasi-kontinuierliche Laser) werden zum Schneiden, Sintern, Schweißen, Oberflächenbeschichtung, Bohren und der 3D-Druck von Metallmaterialien.
Nicht-ultraschnelle gepulste Laser werden zur Markierung nichtmetallischer Materialien, zur Bearbeitung von Siliziummaterialien, zur Reinigung und zur Durchführung eingesetzt Präzisionsgravur auf Metalloberflächen, Präzisionsschweißmetallen und Mikromaschinenmetallen.
Ultraschnelle Laser werden zum Schneiden und Schweißen von harten und spröden Materialien sowie transparenten Materialien wie Glas, PET und Saphir eingesetzt. Darüber hinaus werden sie verwendet für Präzisionsmarkierung, Augenchirurgie, mikroskopische Passivierung und Ätzen.
Hochleistungs-CW-Laser und Ultrakurzpulslaser weisen hinsichtlich ihrer Verwendung nahezu keine gegenseitige Substitutionsbeziehung auf. Sie ähneln Äxten und Pinzetten und ihre Größe hat sowohl Vor- als auch Nachteile.
Die nachgelagerten Anwendungen von nicht-ultraschnellen gepulsten Lasern überschneiden sich teilweise mit denen von kontinuierlichen Lasern und ultraschnellen Lasern. Allerdings ist die Leistung eines nicht-ultraschnellen gepulsten Lasers nicht so gut wie die eines kontinuierlichen Lasers und seine Genauigkeit ist nicht so gut wie die eines ultraschnellen Lasers, gemessen an den Ergebnissen, die bei denselben Anwendungen erzielt wurden. Sein herausragendstes Merkmal ist das Preis-Leistungs-Verhältnis.
Insbesondere der Nanosekunden-Ultraviolettlaser verfügt zwar über eine Pulsbreite, die nicht den Pikosekundenbereich erreicht, weist jedoch eine viel höhere Verarbeitungsgenauigkeit auf als andere Farb-Nanosekundenlaser. Der Nanosekunden-Ultraviolettlaser wird häufig bei der Verarbeitung und Herstellung von 3C-Produkten eingesetzt und da die Kosten für ultraschnelle Laser in Zukunft sinken, könnte er den Nanosekunden-Ultraviolettmarkt besetzen.
Ultrakurzpulslaser realisieren die Kaltbearbeitung im wahrsten Sinne des Wortes und bieten erhebliche Vorteile bei der Präzisionsbearbeitung. Darüber hinaus werden die Kosten dieser ultraschnellen Laser mit zunehmender Weiterentwicklung der Produktionstechnologie sinken. Aus diesen Gründen wird erwartet, dass diese Laser in Zukunft in der medizinischen Biologie, Luft- und Raumfahrt, Unterhaltungselektronik, Lichtanzeige, Energieumwelt, Präzisionsmaschinen und anderen nachgelagerten Industrien weit verbreitet sein werden.
Medizinische Kosmetologie
Ultraschnelle Laser können in Geräten für die medizinische Augenchirurgie und in kosmetischen Geräten eingesetzt werden. Beispielsweise wird der Femtosekundenlaser in der Myopiechirurgie eingesetzt und gilt nach der Wellenfrontaberrationstechnologie als „eine weitere Revolution in der refraktiven Chirurgie“.
Die Augenachse kurzsichtiger Patienten ist größer als eine normale Augenachse, was bedeutet, dass im Entspannungszustand der Fokus der parallelen Lichtstrahlen durch das Brechungssystem des Auges nach der Brechung vor der Netzhaut liegt. Eine Femtosekundenlaseroperation kann überschüssige Muskeln in der axialen Dimension entfernen und den axialen Abstand wieder auf seine normale Länge bringen. Die Femtosekunden-Laserchirurgie bietet die Vorteile hoher Genauigkeit, hoher Sicherheit, hoher Stabilität, kurzer Operationszeit und hohem Komfort, was sie zu einer der gängigsten Methoden der Myopie-Chirurgie gemacht hat.
Was die Schönheit betrifft, können ultraschnelle Laser zur Entfernung von Pigmenten und Muttermalen, zur Entfernung von Tätowierungen und zur Verbesserung der Hautalterung eingesetzt werden.
Unterhaltungselektronik
Ultrakurzpulslaser eignen sich für die Bearbeitung harter und spröder transparenter Materialien, die Bearbeitung dünner Schichten und die Präzisionsmarkierung sowie für die Bereitstellung anderer Funktionen im Herstellungsprozess von Unterhaltungselektronik. Saphir und gehärtetes Glas, wie es beispielsweise in Mobiltelefonen verwendet wird, gelten als harte, spröde und transparente Materialien unter den Rohstoffen, die in der Unterhaltungselektronik verwendet werden.
Insbesondere Saphir wird häufig in Artikeln wie Smartwatches, Handykameraabdeckungen und Abdeckungen für Fingerabdruckmodule verwendet. Aufgrund seiner hohen Härte und Sprödigkeit sind Effizienz und Ausbeute herkömmlicher Bearbeitungsmethoden jedoch sehr gering. Aus diesem Grund sind Nanosekunden-Ultraviolettlaser und Ultrakurzpulslaser die wichtigsten technischen Mittel zum Schneiden von Saphir, wobei die Bearbeitungswirkung des Ultrakurzpulslasers besser ist als die des Ultrakurzpulslasers. Neben den oben genannten Funktionalitäten sind Nanosekunden- und Pikosekundenlaser auch die Hauptverarbeitungsmethoden, die von Kameramodulen und Fingerabdruckmodulen verwendet werden.
Ultraschnelle Laser werden in Zukunft höchstwahrscheinlich auch die Mainstream-Technologie für das Schneiden von flexiblen Mobiltelefonbildschirmen (faltbare Bildschirme) und das entsprechende 3D-Glasbohren werden.
Ultrakurzpulslaser haben auch wichtige Anwendungen in der Panel-Herstellung, unter anderem beim Schneiden von OLED-Polarisatoren sowie bei Abzieh- und Reparaturprozessen bei der LCD-/OLED-Herstellung.
Die Polymermaterialien in der OLED-Herstellung sind besonders empfindlich gegenüber thermischen Einflüssen. Darüber hinaus sind die Größe und der Abstand der derzeit erstellten Zellen sehr klein, ebenso wie die verbleibende Verarbeitungsgröße. Das bedeutet, dass das herkömmliche Stanzverfahren nicht mehr geeignet ist. Der Produktionsbedarf der Industrie und die Anwendungsanforderungen an Sonderformsiebe und Lochsiebe übersteigen mittlerweile die Möglichkeiten des traditionellen Handwerks. Daher liegen die Vorteile ultraschneller Laser auf der Hand, insbesondere wenn man Pikosekunden-Ultraviolett- oder sogar Femtosekundenlaser in Betracht zieht, die eine kleine Wärmeeinflusszone haben und sich besser für flexible Anwendungen wie die Kurvenbearbeitung eignen.
Mikroschweißen
Bei transparenten Feststoffmedienkomponenten wie Glas treten verschiedene Phänomene auf, darunter nichtlineare Absorption, Schmelzschäden, Plasmabildung, Ablation und Faserausbreitung, wenn sich ein Ultrakurzpulslaser im Medium ausbreitet. Die Abbildung zeigt die verschiedenen Phänomene, die während einer Wechselwirkung zwischen einem Ultrakurzpulslaser und festem Material bei unterschiedlichen Leistungsdichten und Zeitskalen auftreten.
Die Ultrakurzpulslaser-Mikroschweißtechnologie eignet sich sehr gut zum Mikroschweißen transparenter Materialien wie Glas, da sie keine Zwischenschicht einbringen muss, einen hohen Wirkungsgrad und eine hohe Präzision aufweist, keinen makroskopischen thermischen Effekt aufweist und sich ideal präsentiert mechanische und optische Eigenschaften nach der Mikroschweißbehandlung. Beispielsweise haben Forscher erfolgreich Endkappen mit 70 fs und 250 kHz-Impulsen an Standard- und mikrostrukturierte optische Fasern geschweißt.
Displaybeleuchtung
Der Einsatz von Ultrakurzpulslasern im Bereich der Displaybeleuchtung betrifft vor allem das Ritzen und Schneiden von LED-Wafern, ein weiteres Beispiel dafür, wie sich Ultrakurzpulslaser für die Bearbeitung harter und spröder Materialien eignen. Die ultraschnelle Laserbearbeitung zeichnet sich durch eine gute Genauigkeit und Effizienz sowie eine hohe Querschnittsebenheit und deutlich reduzierte Kantenausbrüche aus.
Photovoltaische Energie
Ultrakurzpulslaser haben einen breiten Anwendungsbereich bei der Herstellung von Photovoltaikzellen. Beispielsweise können bei der Herstellung von CIGS-Dünnschichtbatterien ultraschnelle Laser den ursprünglichen mechanischen Ritzprozess ersetzen und die Ritzqualität erheblich verbessern, insbesondere bei P2- und P3-Ritzverbindungen, bei denen nahezu keine Absplitterungen, Risse oder Rückstände entstehen betonen.
Luft- und Raumfahrt
Um die Triebwerksleistung sowie die Leistung und Lebensdauer der in der Luft- und Raumfahrt eingesetzten Turbinenschaufeln zu verbessern, ist Luftfilmkühlungstechnologie erforderlich. Dies stellt allerdings extrem hohe Anforderungen an die Luftfilm-Lochbearbeitungstechnik dar.
Im Jahr 2018 entwickelte das Xi'an-Institut für Optik und Mechanik die höchste Einzelpulsenergie in China: den 26-Watt-Femtosekunden-Faserlaser in Industriequalität. Darüber hinaus entwickelten sie eine Reihe extrem schneller Laserfertigungsanlagen, um einen Durchbruch bei der „Kaltbearbeitung“ von Luftfilmlöchern in Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken zu erzielen und so die Lücke im Inland zu schließen. Diese Verarbeitungsmethode ist fortschrittlicher als EDM, ihre Genauigkeit ist höher und die Ausbeute ist erheblich verbessert.
Ultraschnelle Laser können auch für die Präzisionsbearbeitung von faserverstärkten Verbundwerkstoffen eingesetzt werden, während Verbesserungen der Bearbeitungsgenauigkeit dazu beitragen werden, die Anwendung von Verbundwerkstoffen wie Kohlefasern in der Luft- und Raumfahrt und anderen High-End-Bereichen zu erweitern.
Forschungsfeld
Die Zwei-Photonen-Polymerisationstechnologie (2PP) ist eine „nanooptische“ 3D-Druckmethode, die der lichthärtenden Rapid-Prototyping-Technologie ähnelt. Der Zukunftsforscher Christopher Barnatt glaubt, dass diese Technologie in Zukunft zu einer gängigen Form des 3D-Drucks werden könnte.
Das Prinzip der 2PP-Technologie besteht darin, lichtempfindliches Harz mithilfe eines „Femtosekunden-Pulslasers“ selektiv auszuhärten. Obwohl es dem photohärtenden Rapid Prototyping ähnlich zu sein scheint, besteht der Unterschied darin, dass die minimale Schichtdicke und die Auflösung der XY-Achse, die mit der 2PP-Technologie erreicht werden können, zwischen 100 nm und 200 nm liegen. Mit anderen Worten: Die 2PP-3D-Drucktechnologie ist hundertmal genauer als die herkömmliche lichthärtende Formtechnologie und die gedruckten Objekte sind kleiner als Bakterien.
Der Preis für ultraschnelle Laser bleibt relativ hoch, aber als Pionier in der Branche produziert STYLECNC bereits ultraschnelle Laserbearbeitungsgeräte und hat eine gute Marktresonanz erhalten. Es wurden Laser-Präzisionsschneidegeräte für OLED-Module auf Basis ultraschneller Lasertechnologie, ultraschnelle (Pikosekunden/Femtosekunde) Lasermarkierungsgeräte, Glasanfas-Laserbearbeitungsgeräte für Pikosekunden-Infrarot-Bildschirme und Pikosekunden-Infrarot-Glaswafer auf den Markt gebracht.
Zu den Produkten, die dank dieser Technologien auf den Markt gebracht wurden, gehören Laserschneidegeräte, automatische unsichtbare LED-Würfelschneidemaschinen und Halbleiterwafer Laserschneidmaschinen, Glasabdeckungsschneidegeräte für Fingerabdruck-Identifikationsmodule, flexible Display-Massenproduktionslinien und eine Reihe ultraschneller Laserprodukte.
Vor- und Nachteile eines ultraschnellen Lasers
Vorteile eines ultraschnellen Lasers
Der Ultrakurzpulslaser ist eine der wichtigsten Entwicklungsrichtungen im Laserbereich. Als aufstrebende Technologie bietet sie erhebliche Vorteile bei der Präzisionsmikrobearbeitung.
Der vom ultraschnellen Laser erzeugte ultrakurze Puls führt dazu, dass der Laser selbst nur für sehr kurze Zeit mit dem Material interagiert und daher keine Wärme an die umliegenden Materialien abgibt. Wenn die Laserpulsbreite außerdem das Pikosekunden- oder Femtosekundenniveau erreicht, kann der Einfluss auf die molekulare thermische Bewegung weitgehend vermieden werden, was zu einem geringeren thermischen Einfluss führt. Aus diesem Grund wird die ultraschnelle Laserbearbeitung auch „Kaltbearbeitung“ genannt.
Ein anschauliches Beispiel, das die Vorteile eines superschnellen Lasers zeigt, könnte sein, wenn wir eingemachte Eier mit einem stumpfen Küchenmesser schneiden. Wir schneiden die konservierten Eier oft in feine Stücke. Wenn Sie also stattdessen eine scharfe Messerschneide wählen, die schnell schneidet, werden die konservierten Eier gleichmäßig und schön geschnitten.
Nachteile eines ultraschnellen Lasers
High-End-Fertigungsindustrien, beispielsweise solche, die integrierte Schaltkreise und Panels herstellen, stellen extrem hohe Anforderungen an Laserbearbeitungsgeräte und es besteht die Gefahr, dass neue technologische Durchbrüche hinter den Erwartungen zurückbleiben.
Der Preis eines ultraschnellen Lasers ist hoch und der Wechsel zu einem neuen Laserlieferanten birgt das Risiko, dass der Markt nicht wie ursprünglich von Lasergeräteherstellern und Endverbrauchern erwartet erweitert werden kann.
Quelle aus stylecnc.com
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