El láser ultrarrápido es un tipo de láser ultraintenso de pulso ultracorto con un ancho de pulso por debajo o dentro del nivel de picosegundos (10-12 s), que se define en función de la forma de onda de salida de energía.
El nombre del láser se basa en el "fenómeno ultrarrápido", que se refiere a un fenómeno en el que el sistema microscópico de la materia cambia rápidamente en un proceso físico, químico o biológico. En el sistema atómico y molecular, la escala de tiempo del movimiento de átomos y moléculas es del orden de picosegundos a femtosegundos. Por ejemplo, el período de rotación molecular es del orden de picosegundos y el período de vibración es del orden de femtosegundos.
Cuando el ancho del pulso láser alcanza el nivel de picosegundo o femtosegundo, evita en gran medida cualquier influencia que tenga sobre el movimiento térmico general de las moléculas, que es la esencia microscópica de la temperatura de la materia. Además, el material se ve influenciado y generado por la escala de tiempo de la vibración molecular, lo que significa que durante el procesamiento, el efecto térmico se reduce considerablemente.
Índice del contenido
Tipos de láser ultrarrápido
Componentes de un láser ultrarrápido
Aplicaciones láser ultrarrápidas
Pros y contras de un láser ultrarrápido
Tipos de láser ultrarrápido
Hay muchos métodos de clasificación para los láseres, siendo los cuatro métodos de clasificación más utilizados la clasificación por sustancia de trabajo, la clasificación por forma de onda de salida de energía (modo de trabajo), la clasificación por longitud de onda de salida (color) y la clasificación por potencia.
De acuerdo con la forma de onda de salida de energía, los láseres se pueden dividir en láseres continuos, láseres pulsados y láseres casi continuos:
Láser continuo
Un láser continuo es un láser que emite continuamente formas de onda de energía estables durante las horas de trabajo. Se caracteriza por su alta potencia y su capacidad para procesar materiales voluminosos con un alto punto de fusión, como placas de metal.
láser pulsado
Los láseres pulsados emiten energía en forma de pulsos. Según el ancho del pulso, estos láseres se pueden dividir en láseres de milisegundos, láseres de microsegundos, dispositivos de apagado de nanosegundos, láseres de picosegundos, láseres de femtosegundos y láseres de attosegundos. Por ejemplo, si el ancho de pulso del láser de salida está entre 1 y 1000 ns, se clasificaría como un láser de nanosegundos. Para láseres de picosegundos, láseres de femtosegundos, láseres de attosegundos y láseres ultrarrápidos, la potencia del láser pulsado es mucho menor que la del láser continuo, pero la precisión de procesamiento es mayor. En general, cuanto más estrecho sea el ancho del pulso, mayor será la precisión del procesamiento.
Láser cuasi-CW
El láser cuasi-CW es un láser de pulso que puede emitir repetidamente un láser de energía relativamente alta dentro de un período determinado.
Las formas de onda de salida de energía de los tres láseres mencionados anteriormente también se pueden describir mediante el parámetro "ciclo de trabajo".
Para un láser, el ciclo de trabajo se puede interpretar como la relación entre el "tiempo de salida de energía del láser" en relación con el "tiempo total" dentro de un ciclo de pulso. Entonces, ciclo de trabajo del láser CW (= 1)> ciclo de trabajo del láser cuasi-CW> ciclo de trabajo del láser pulsado. En general, cuanto más estrecho es el ancho de pulso del láser pulsado, menor es el ciclo de trabajo.
En el campo del procesamiento de materiales, los láseres pulsados fueron inicialmente un producto de transición de los láseres continuos. Esto se debe a que la potencia de salida de los láseres continuos no puede alcanzar un nivel muy alto debido a la influencia de factores que incluyen la capacidad de carga de los componentes centrales y el nivel de tecnología en la etapa inicial, así como el hecho de que el material no se puede calentar hasta el punto de fusión Estos factores son los que logran el propósito del procesamiento, es decir, la necesidad de innovación.
La innovación vino con el uso de ciertos medios técnicos para concentrar la energía de salida del láser en un solo pulso. Esto impidió que cambiara la potencia total del láser, pero permitió que la potencia instantánea en el momento del pulso aumentara considerablemente y así satisficiera los requisitos del procesamiento de materiales.
Más tarde, la tecnología de láser continuo maduró gradualmente y se descubrió que el láser pulsado tiene una gran ventaja en la precisión del procesamiento. Esto se debe a que el efecto térmico de los láseres pulsados sobre los materiales es menor; cuanto más estrecho sea el ancho del pulso láser, menor será el efecto térmico; y cuanto más suave sea el borde del material procesado, mayor será la precisión de mecanizado correspondiente.
Componentes de un láser ultrarrápido
Dos de los requisitos básicos para que un láser se considere un láser ultrarrápido son un pulso ultracorto de alta estabilidad y una energía de pulso alta. En general, se pueden obtener pulsos ultracortos usando tecnología de bloqueo de modo, mientras que se puede obtener alta energía de pulso usando tecnología de amplificación CPA.
Los componentes principales involucrados incluyen osciladores, camillas, amplificadores y compresores. Entre ellos, el oscilador y el amplificador son los más desafiantes, pero también son la tecnología central detrás de cualquier empresa de fabricación de láser ultrarrápido.
Oscilador
Se utiliza una técnica de bloqueo de modo para obtener pulsos de láser ultrarrápidos en el oscilador.
Stretcher
La camilla estira los pulsos de semillas de femtosegundos en el tiempo usando diferentes longitudes de onda.
Amplificador
Se utiliza un amplificador con chirrido para energizar completamente el pulso ahora extendido.
Compresor
El compresor une los espectros amplificados de los diversos componentes y los restaura al ancho de femtosegundos, formando así pulsos de láser de femtosegundos con una potencia instantánea extremadamente alta.
Aplicaciones láser ultrarrápidas
En comparación con los láseres de nanosegundos y milisegundos, los láseres ultrarrápidos tienen una potencia general más baja; sin embargo, dado que actúan directamente en la escala de tiempo de las vibraciones moleculares del material, los láseres ultrarrápidos realizan un "procesamiento en frío" en el verdadero sentido, lo que significa una precisión de procesamiento muy mejorada.
Debido a sus diferentes características, los láseres continuos de alta potencia, los láseres pulsados no ultrarrápidos y los láseres ultrarrápidos presentan grandes diferencias en los campos de aplicación posteriores:
Los láseres continuos de alta potencia (y láseres casi continuos) se utilizan para cortar, sinterizar, soldadura, revestimiento de superficies, perforación e impresión 3D de materiales metálicos.
Los láseres pulsados no ultrarrápidos se utilizan para marcar materiales no metálicos, procesar materiales de silicona, limpiar y realizar grabado de precisión en superficies metálicas, metales de soldadura de precisión y metales micromecanizados.
Los láseres ultrarrápidos se utilizan para cortar y soldar materiales duros y quebradizos, así como materiales transparentes como vidrio, PET y zafiro. Además, se utilizan para marcado de precisión, cirugía oftálmica, pasivación microscópica y grabado.
Desde el punto de vista de su uso, los láseres CW de alta potencia y los láseres ultrarrápidos casi no tienen una relación de sustitución mutua. Son como hachas y pinzas, y sus tamaños tienen sus ventajas y desventajas.
Las aplicaciones posteriores de los láseres pulsados no ultrarrápidos tienen cierta superposición con las de los láseres continuos y los láseres ultrarrápidos. Sin embargo, a juzgar por los resultados obtenidos bajo las mismas aplicaciones, la potencia de un láser pulsado no ultrarrápido no es tan buena como la de un láser continuo y su precisión no es tan buena como la de un láser ultrarrápido. Su característica más destacada es la rentabilidad.
El láser ultravioleta de nanosegundos en particular, aunque tiene un ancho de pulso que no alcanza el nivel de picosegundos, tiene una precisión de procesamiento mucho mayor que otros láseres de nanosegundos de color. El láser ultravioleta de nanosegundos se usa ampliamente en el procesamiento y la fabricación de productos 3C y, a medida que el costo de los láseres ultrarrápidos disminuya en el futuro, puede ocupar el mercado ultravioleta de nanosegundos.
Los láseres ultrarrápidos realizan el procesamiento en frío en un sentido real y tienen ventajas significativas en el procesamiento de precisión. Además, a medida que la tecnología de producción madure gradualmente, el costo de estos láseres ultrarrápidos disminuirá. Por estas razones, se espera que estos láseres se utilicen ampliamente en biología médica, aeroespacial, electrónica de consumo, pantallas de iluminación, entornos energéticos, maquinaria de precisión y otras industrias posteriores en el futuro.
cosmetología médica
Los láseres ultrarrápidos se pueden utilizar en equipos médicos de cirugía ocular y dispositivos cosméticos. Por ejemplo, el láser de femtosegundo se utiliza en la cirugía de miopía y se conoce, después de la tecnología de aberración de frente de onda, como “otra revolución en la cirugía refractiva”.
El eje del ojo de los pacientes miopes es más grande que el eje del ojo normal, lo que significa que cuando están en un estado de relajación, el foco de los rayos de luz paralelos del sistema refractivo del ojo después de la refracción cae frente a la retina. La cirugía con láser de femtosegundo puede eliminar el exceso de músculo en la dimensión axial y restaurar la distancia axial a su longitud normal. La cirugía con láser de femtosegundo tiene las ventajas de alta precisión, alta seguridad, alta estabilidad, tiempo de operación corto y gran comodidad, lo que la ha llevado a convertirse en uno de los métodos de cirugía de miopía más comunes.
En términos de belleza, los láseres ultrarrápidos se pueden usar para eliminar pigmentos y lunares nativos, eliminar tatuajes y mejorar el envejecimiento de la piel.
Electrónica de consumo
Los láseres ultrarrápidos son adecuados para el procesamiento de materiales transparentes duros y quebradizos, el procesamiento de películas delgadas y el marcado de precisión, además de proporcionar otras funciones dentro del proceso de fabricación de productos electrónicos de consumo. El zafiro y el vidrio templado, como el que se usa en los teléfonos móviles, se consideran materiales duros, quebradizos y transparentes entre las materias primas utilizadas en la electrónica de consumo.
El zafiro, en particular, se usa ampliamente en artículos como relojes inteligentes, cubiertas de cámaras de teléfonos móviles y cubiertas de módulos de huellas dactilares. Sin embargo, debido a sus altos niveles de dureza y fragilidad, la eficiencia y el índice de rendimiento de los métodos de mecanizado tradicionales son muy bajos. Debido a esto, los láseres ultravioleta de nanosegundos y los láseres ultrarrápidos son los principales medios técnicos para cortar zafiro, siendo el efecto de procesamiento del láser ultrarrápido mejor que el del láser ultravioleta de nanosegundos. Además de las funcionalidades anteriores, los láseres de nanosegundos y picosegundos también son los principales métodos de procesamiento utilizados por los módulos de cámara y los módulos de huellas dactilares.
Es muy probable que los láseres ultrarrápidos también se conviertan en la tecnología principal para el corte de pantallas flexibles de teléfonos móviles (pantallas plegables) y la correspondiente perforación de vidrio 3D en el futuro.
Los láseres ultrarrápidos también tienen aplicaciones importantes en la fabricación de paneles, con usos que incluyen el corte de polarizadores OLED y los procesos de pelado y reparación durante la fabricación de LCD/OLED.
Los materiales poliméricos en la fabricación de OLED son particularmente sensibles a las influencias térmicas. Además, el tamaño y el espaciado de las celdas que se fabrican actualmente son muy pequeños, al igual que el tamaño de procesamiento restante. Esto significa que el proceso de troquelado tradicional ya no es adecuado. Las necesidades de producción de la industria y los requisitos de aplicación para pantallas de formas especiales y pantallas perforadas están ahora más allá de las capacidades de las artesanías tradicionales. Por lo tanto, los beneficios proporcionados por los láseres ultrarrápidos son obvios, especialmente cuando se consideran los láseres ultravioleta de picosegundos o incluso de femtosegundos, que tienen una pequeña zona afectada por el calor y son más adecuados para aplicaciones flexibles como el procesamiento de curvas.
Microsoldadura
Para los componentes de medios sólidos transparentes, como el vidrio, se producirán varios fenómenos que incluyen absorción no lineal, daños por fusión, formación de plasma, ablación y propagación de fibras cuando un láser de pulso ultracorto se propaga en el medio. La figura muestra los diversos fenómenos que ocurren durante una interacción entre un láser de pulso ultracorto y un material sólido cuando se encuentran bajo diferentes densidades de potencia y escalas de tiempo.
La tecnología de microsoldadura láser de pulso ultracorto es muy adecuada para la microsoldadura de materiales transparentes como el vidrio, ya que no necesita insertar una capa intermedia, tiene alta eficiencia, alta precisión, no tiene efecto térmico macroscópico y presenta condiciones ideales. propiedades mecánicas y ópticas después del tratamiento de microsoldadura. Por ejemplo, los investigadores han soldado con éxito tapas de extremos a fibras ópticas estándar y microestructuradas utilizando pulsos de 70 fs y 250 kHz.
iluminación de la pantalla
La aplicación de láseres ultrarrápidos en el campo de la iluminación de pantallas se refiere principalmente al trazado y corte de obleas LED, que es otro ejemplo de cómo los láseres ultrarrápidos son adecuados para procesar materiales duros y quebradizos. El procesamiento láser ultrarrápido tiene buena precisión y eficiencia, así como una gran planitud de la sección transversal y un astillado de borde significativamente reducido.
Energía fotovoltaica
Los láseres ultrarrápidos tienen un amplio espacio de aplicación en la fabricación de células fotovoltaicas. Por ejemplo, en la fabricación de baterías de película delgada CIGS, los láseres ultrarrápidos pueden reemplazar el proceso de trazado mecánico original para mejorar significativamente la calidad del trazado, especialmente para los enlaces de trazado P2 y P3, donde casi no se pueden astillar, agrietar o dejar residuos. estrés.
Aeroespacial
La tecnología de refrigeración por película de aire es necesaria cuando se trata de mejorar el rendimiento del motor y el rendimiento y la vida útil de las palas de turbina utilizadas en la industria aeroespacial. Sin embargo, esto significa requisitos extremadamente altos para la tecnología de procesamiento de orificios de película de aire.
En 2018, el Instituto de Óptica y Mecánica de Xi'an desarrolló la energía de pulso único más alta de China: el láser de fibra de femtosegundo de grado industrial de 26 vatios. Además, desarrollaron una serie de equipos de fabricación láser ultrarrápidos y extremos para lograr un gran avance en el "procesamiento en frío" de los orificios de la película de aire en las palas de turbinas de motores aeronáuticos y, por lo tanto, llenar el vacío doméstico. Este método de procesamiento es más avanzado que EDM, su precisión es mayor y la tasa de rendimiento mejora considerablemente.
Los láseres ultrarrápidos también se pueden aplicar al mecanizado de precisión de materiales compuestos reforzados con fibra, mientras que las mejoras en la precisión del mecanizado ayudarán a expandir la aplicación de materiales compuestos como la fibra de carbono en la industria aeroespacial y otros campos de alta gama.
Campo de investigación
La tecnología de polimerización de dos fotones (2PP) es un método de impresión 3D "nanoóptico" similar a la tecnología de creación rápida de prototipos de fotocurado. El futurista Christopher Barnatt cree que esta tecnología puede convertirse en una forma convencional de impresión 3D en el futuro.
El principio de la tecnología 2PP es curar selectivamente la resina fotosensible mediante el uso de un "láser de pulso de femtosegundo". Aunque parece similar al fotocurado de prototipado rápido, la diferencia es que el grosor mínimo de la capa y la resolución del eje XY que puede lograr la tecnología 2PP están entre 100 nm y 200 nm. En otras palabras, la tecnología de impresión 2D 3PP es cientos de veces más precisa que la tecnología tradicional de moldeo por fotocurado y las cosas impresas son más pequeñas que las bacterias.
El precio de los láseres ultrarrápidos sigue siendo relativamente alto, pero como pionera en la industria, STYLECNC ya está produciendo equipos de procesamiento láser ultrarrápidos y ha logrado una buena respuesta en el mercado. Se lanzó el equipo de corte de precisión láser para módulos OLED basado en tecnología láser ultrarrápida, equipo de marcado láser ultrarrápido (picosegundo/femtosegundo), equipo de procesamiento láser de biselado de vidrio para pantallas de visualización infrarrojas de picosegundos y obleas de vidrio infrarrojo de picosegundos.
Los productos lanzados gracias a estas tecnologías incluyen equipos de corte por láser, troceadoras invisibles automáticas LED, obleas semiconductoras máquinas de corte por láser, equipos de corte de cubiertas de vidrio para módulos de identificación de huellas dactilares, líneas de producción en masa de pantallas flexibles y una serie de productos láser ultrarrápidos.
Pros y contras de un láser ultrarrápido
Ventajas de un láser ultrarrápido
El láser ultrarrápido es una de las direcciones de desarrollo más importantes dentro del campo del láser. Como tecnología emergente, tiene ventajas significativas en el micromecanizado de precisión.
El pulso ultracorto generado por el láser ultrarrápido significa que el láser solo interactúa con el material durante un tiempo muy corto y, por lo tanto, no aportará calor a los materiales circundantes. Además, cuando el ancho del pulso láser alcanza el nivel de picosegundos o femtosegundos, la influencia en el movimiento térmico molecular se puede evitar en gran medida, lo que resulta en una menor influencia térmica. Por esta razón, el procesamiento láser ultrarrápido también se denomina "procesamiento en frío".
Un ejemplo gráfico que muestra las ventajas de un láser súper rápido podría ser cuando cortamos huevos en conserva con un cuchillo de cocina sin filo. A menudo cortamos los huevos en conserva en trozos finos, por lo que si elige un cuchillo afilado que corte rápidamente, los huevos en conserva se cortarán de manera uniforme y hermosa.
Contras de un láser ultrarrápido
Las industrias de fabricación de alta gama, como las que fabrican paneles y circuitos integrados, tienen requisitos extremadamente altos para los equipos de procesamiento láser y existe el riesgo de que los nuevos avances tecnológicos no cumplan con las expectativas.
El precio de un láser ultrarrápido es alto y cambiar a un nuevo proveedor de láser plantea el riesgo de no poder expandir el mercado como se esperaba originalmente tanto por los fabricantes de equipos láser como por los usuarios finales.
Fuente de estilocnc.com
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