Le laser ultrarapide est un type de laser ultra-intense à impulsions ultra-courtes avec une largeur d'impulsion inférieure ou inférieure au niveau picoseconde (10-12s), qui est défini en fonction de la forme d'onde de sortie d'énergie.
Le nom du laser est basé sur le «phénomène ultrarapide», qui fait référence à un phénomène où le système microscopique de la matière change rapidement dans un processus physique, chimique ou biologique. Dans le système atomique et moléculaire, l'échelle de temps du mouvement des atomes et des molécules est de l'ordre des picosecondes aux femtosecondes. Par exemple, la période de rotation moléculaire est de l'ordre de la picoseconde et la période de vibration est de l'ordre de la femtoseconde.
Lorsque la largeur d'impulsion laser atteint le niveau de la picoseconde ou de la femtoseconde, elle évite en grande partie toute influence qu'elle a sur le mouvement thermique global des molécules, qui est l'essence microscopique de la température de la matte. De plus, le matériau est influencé et généré par l'échelle de temps des vibrations moléculaires, ce qui signifie que lors du traitement, l'effet thermique est considérablement réduit.
Table des matières
Types de laser ultrarapide
Composants d'un laser ultrarapide
Applications laser ultrarapides
Avantages et inconvénients d'un laser ultrarapide
Types de laser ultrarapide
Il existe de nombreuses méthodes de classification pour les lasers, les quatre méthodes de classification les plus couramment utilisées étant la classification par substance de travail, la classification par forme d'onde de sortie d'énergie (mode de travail), la classification par longueur d'onde de sortie (couleur) et la classification par puissance.
Selon la forme d'onde de sortie d'énergie, les lasers peuvent être divisés en lasers continus, lasers pulsés et lasers quasi-continus :
Laser continu
Un laser continu est un laser qui produit en continu des formes d'onde d'énergie stables pendant les heures de travail. Il se caractérise par une puissance élevée et sa capacité à traiter des matériaux volumineux à point de fusion élevé, tels que des plaques métalliques.
Laser pulsé
Les lasers pulsés produisent de l'énergie sous forme d'impulsions. Selon la largeur d'impulsion, ces lasers peuvent être divisés en lasers millisecondes, lasers microsecondes, dispositifs d'arrêt nanosecondes, lasers picosecondes, lasers femtosecondes et lasers attosecondes. Par exemple, si la largeur d'impulsion du laser de sortie est comprise entre 1 et 1000 XNUMX ns, il serait classé comme un laser nanoseconde. Pour les lasers picosecondes, les lasers femtosecondes, les lasers attosecondes et les lasers ultrarapides, la puissance du laser pulsé est bien inférieure à celle du laser continu mais la précision de traitement est plus élevée. En général, plus la largeur d'impulsion est étroite, plus la précision de traitement est élevée.
Laser quasi-CW
Le laser quasi-CW est un laser à impulsions qui peut émettre de manière répétée un laser à relativement haute énergie pendant une certaine période.
Les formes d'onde de sortie d'énergie des trois lasers mentionnés ci-dessus peuvent également être décrites par le paramètre "cycle de service".
Pour un laser, le rapport cyclique peut être interprété comme le rapport du « temps de sortie de l'énergie laser » par rapport au « temps total » dans un cycle d'impulsions. Ainsi, rapport cyclique du laser CW (= 1)> rapport cyclique du laser quasi-CW> rapport cyclique du laser pulsé. Généralement, plus la largeur d'impulsion du laser pulsé est étroite, plus le rapport cyclique est faible.
Dans le domaine du traitement des matériaux, les lasers pulsés étaient initialement un produit de transition des lasers continus. En effet, la puissance de sortie des lasers continus ne peut pas atteindre un niveau très élevé en raison de l'influence de facteurs tels que la capacité portante des composants centraux et le niveau de technologie au stade initial, ainsi que le fait que le matériau ne peut pas être chauffé pour le point de fusion. Ce sont ces facteurs qui permettent d'atteindre l'objectif du traitement, c'est-à-dire le besoin d'innovation.
L'innovation est venue avec certains moyens techniques utilisés pour concentrer l'énergie de sortie du laser sur une seule impulsion. Cela a empêché la puissance totale du laser de changer, mais a permis à la puissance instantanée au moment de l'impulsion d'augmenter considérablement et de satisfaire ainsi aux exigences du traitement des matériaux.
Plus tard, la technologie laser continue a progressivement mûri et il a été constaté que le laser pulsé présentait un grand avantage en termes de précision de traitement. En effet, l'effet thermique des lasers pulsés sur les matériaux est plus faible ; plus la largeur d'impulsion laser est étroite, plus l'effet thermique est faible ; et plus le bord du matériau traité est lisse, plus la précision d'usinage correspondante est élevée.
Composants d'un laser ultrarapide
Deux des exigences fondamentales pour qu'un laser soit considéré comme un laser ultrarapide sont une impulsion ultracourte à haute stabilité et une énergie d'impulsion élevée. Généralement, des impulsions ultracourtes peuvent être obtenues en utilisant la technologie de verrouillage de mode, tandis qu'une énergie d'impulsion élevée peut être obtenue en utilisant la technologie d'amplification CPA.
Les principaux composants impliqués comprennent des oscillateurs, des étireurs, des amplificateurs et des compresseurs. Parmi eux, l'oscillateur et l'amplificateur sont les plus difficiles, mais ils constituent également la technologie de base de toute entreprise de fabrication de lasers ultrarapides.
Oscillateur
Une technique de verrouillage de mode est utilisée pour obtenir des impulsions laser ultrarapides dans l'oscillateur.
Tendeur
L'étireur étire les impulsions de départ femtoseconde dans le temps en utilisant différentes longueurs d'onde.
Amplificateur
Un amplificateur chirpé est utilisé pour dynamiser complètement l'impulsion maintenant étirée.
Compresseur
Le compresseur réunit les spectres amplifiés des différents composants et les restitue à la largeur femtoseconde, formant ainsi des impulsions laser femtoseconde avec une puissance instantanée extrêmement élevée.
Applications laser ultrarapides
Par rapport aux lasers nanosecondes et millisecondes, les lasers ultrarapides ont une puissance globale inférieure, cependant, puisqu'ils agissent directement sur l'échelle de temps des vibrations moléculaires du matériau, les lasers ultrarapides réalisent un "traitement à froid" au sens propre, ce qui signifie une précision de traitement grandement améliorée.
En raison de leurs caractéristiques différentes, les lasers continus de forte puissance, les lasers pulsés non ultrarapides et les lasers ultrarapides présentent tous de grandes différences dans les domaines d'application en aval :
Les lasers continus (et quasi-continus) de forte puissance sont utilisés pour la découpe, le frittage, soudage, le revêtement de surface, le perçage et l'impression 3D de matériaux métalliques.
Les lasers pulsés non ultrarapides sont utilisés pour marquer les matériaux non métalliques, traiter les matériaux en silicium, nettoyer et effectuer gravure de précision sur les surfaces métalliques, les métaux soudés de précision et les métaux pour micromachines.
Les lasers ultrarapides sont utilisés pour couper et souder des matériaux durs et cassants, ainsi que des matériaux transparents tels que le verre, le PET et le saphir. De plus, ils sont utilisés pour marquage de précision, chirurgie ophtalmique, passivation microscopique et mordançage.
Du point de vue de leur utilisation, les lasers CW de forte puissance et les lasers ultrarapides n'ont pratiquement aucune relation de substitution mutuelle. Ils sont comme des haches et des pincettes, et leurs tailles ont leurs avantages et leurs inconvénients.
Les applications en aval des lasers pulsés non ultrarapides ont un certain chevauchement avec celles des lasers continus et des lasers ultrarapides. Cependant, à en juger par les résultats obtenus dans les mêmes applications, la puissance d'un laser pulsé non ultrarapide n'est pas aussi bonne que celle d'un laser continu et sa précision n'est pas aussi bonne que celle d'un laser ultrarapide. Sa caractéristique la plus importante est la performance des coûts.
Le laser ultraviolet nanoseconde en particulier, bien qu'ayant une largeur d'impulsion qui n'atteint pas le niveau de la picoseconde, a une précision de traitement beaucoup plus élevée que les autres lasers couleur nanoseconde. Le laser ultraviolet nanoseconde est largement utilisé dans le traitement et la fabrication de produits 3C et, à mesure que le coût des lasers ultrarapides diminue à l'avenir, il pourrait occuper le marché de l'ultraviolet nanoseconde.
Les lasers ultrarapides réalisent un traitement à froid dans un sens réel et présentent des avantages significatifs dans le traitement de précision. De plus, à mesure que la technologie de production mûrira progressivement, le coût de ces lasers ultrarapides diminuera. Pour ces raisons, on s'attend à ce que ces lasers soient largement utilisés dans la biologie médicale, l'aérospatiale, l'électronique grand public, l'affichage d'éclairage, l'environnement énergétique, les machines de précision et d'autres industries en aval à l'avenir.
Cosmétologie médicale
Les lasers ultrarapides peuvent être utilisés dans les équipements de chirurgie oculaire médicale et les appareils cosmétiques. Par exemple, le laser femtoseconde est utilisé dans la chirurgie de la myopie et est connu, après la technologie de l'aberration du front d'onde, comme "une autre révolution dans la chirurgie réfractive".
L'axe oculaire des patients myopes est plus grand qu'un axe oculaire normal, ce qui signifie que lorsqu'ils sont dans un état de relaxation, le foyer des rayons lumineux parallèles par le système de réfraction de l'œil après la réfraction tombe devant la rétine. La chirurgie au laser femtoseconde peut éliminer l'excès de muscle dans la dimension axiale et restaurer la distance axiale à sa longueur normale. La chirurgie au laser femtoseconde présente les avantages d'une grande précision, d'une grande sécurité, d'une grande stabilité, d'un temps de fonctionnement court et d'un confort élevé, ce qui l'a amenée à devenir l'une des méthodes de chirurgie de la myopie les plus courantes.
En termes de beauté, les lasers ultra-rapides peuvent être utilisés pour éliminer les pigments et les grains de beauté natifs, éliminer les tatouages et améliorer le vieillissement cutané.
Electronique grand public
Les lasers ultrarapides conviennent au traitement des matériaux transparents durs et cassants, au traitement des couches minces et au marquage de précision, ainsi qu'à d'autres fonctions dans le processus de fabrication de l'électronique grand public. Le saphir et le verre trempé, comme celui utilisé dans les téléphones portables, sont considérés comme des matériaux durs, cassants et transparents parmi les matières premières utilisées dans l'électronique grand public.
Le saphir en particulier est largement utilisé dans des articles tels que les montres intelligentes, les coques d'appareil photo de téléphone portable et les coques de module d'empreintes digitales. Cependant, en raison de ses niveaux élevés de dureté et de fragilité, l'efficacité et le taux de rendement des méthodes d'usinage traditionnelles sont très faibles. De ce fait, les lasers ultraviolets nanosecondes et les lasers ultrarapides sont les principaux moyens techniques de découpe du saphir, l'effet de traitement du laser ultrarapide étant meilleur que celui du laser ultraviolet nanoseconde. En plus des fonctionnalités ci-dessus, les lasers nanosecondes et picosecondes sont également les principales méthodes de traitement utilisées par les modules de caméra et les modules d'empreintes digitales.
Les lasers ultrarapides deviendront également très probablement la technologie dominante pour la découpe des écrans flexibles des téléphones portables (écrans pliables) et le perçage du verre 3D correspondant à l'avenir.
Les lasers ultrarapides ont également des applications importantes dans la fabrication de panneaux, avec des utilisations telles que la découpe de polariseurs OLED et les processus de pelage et de réparation lors de la fabrication de LCD/OLED.
Les matériaux polymères utilisés dans la fabrication des OLED sont particulièrement sensibles aux influences thermiques. De plus, la taille et l'espacement des cellules actuellement fabriquées sont très faibles, tout comme la taille de traitement restante. Cela signifie que le procédé traditionnel de découpe à l'emporte-pièce n'est plus adapté. Les besoins de production de l'industrie et les exigences d'application pour les écrans de forme spéciale et les écrans perforés dépassent désormais les capacités de l'artisanat traditionnel. Ainsi, les avantages apportés par les lasers ultrarapides sont évidents, en particulier si l'on considère les lasers ultraviolets picosecondes ou même femtosecondes, qui ont une petite zone affectée thermiquement et sont plus adaptés aux applications flexibles telles que le traitement des courbes.
Micro soudure
Pour les composants de supports solides transparents, tels que le verre, divers phénomènes, notamment l'absorption non linéaire, les dommages de fusion, la formation de plasma, l'ablation et la propagation des fibres, se produiront lorsqu'un laser à impulsions ultracourtes se propage dans le support. La figure montre les différents phénomènes qui se produisent lors d'une interaction entre un laser à impulsions ultracourtes et un matériau solide sous différentes densités de puissance et échelles de temps.
La technologie de micro-soudage laser à impulsions ultra-courtes est très bien adaptée au micro-soudage de matériaux transparents tels que le verre car elle n'a pas besoin d'insérer une couche intermédiaire, a un rendement élevé, une haute précision, aucun effet thermique macroscopique et présente des propriétés mécaniques et optiques après traitement par micro-soudure. Par exemple, les chercheurs ont réussi à souder des embouts sur des fibres optiques standard et microstructurées en utilisant des impulsions de 70 fs, 250 kHz.
Eclairage de l'écran
L'application des lasers ultrarapides dans le domaine de l'éclairage des écrans se réfère principalement au traçage et à la découpe de plaquettes de LED, qui est un autre exemple de la façon dont les lasers ultrarapides conviennent au traitement de matériaux durs et cassants. Le traitement laser ultrarapide a une bonne précision et efficacité, ainsi qu'une planéité de section élevée et un écaillage des bords considérablement réduit.
Énergie photovoltaïque
Les lasers ultrarapides ont un large champ d'application dans la fabrication de cellules photovoltaïques. Par exemple, dans la fabrication de batteries à couches minces CIGS, les lasers ultrarapides peuvent remplacer le processus de traçage mécanique d'origine pour améliorer considérablement la qualité du traçage, en particulier pour les liaisons de traçage P2 et P3, où il ne peut obtenir pratiquement aucun écaillage, fissure ou résidu. stress.
Industrie aerospatiale
La technologie de refroidissement par film d'air est nécessaire pour améliorer les performances des moteurs ainsi que les performances et la durée de vie des aubes de turbine utilisées dans l'aérospatiale. Cependant, cela signifie des exigences extrêmement élevées pour la technologie de traitement des trous de film d'air.
En 2018, l'Institut d'optique et de mécanique de Xi'an a développé l'énergie d'impulsion unique la plus élevée de Chine : le laser à fibre femtoseconde de qualité industrielle de 26 watts. De plus, ils ont développé une série d'équipements de fabrication laser ultra-rapides extrêmes pour réaliser une percée dans le «traitement à froid» des trous de film d'air dans les aubes de turbine de moteur d'avion et ainsi combler le vide national. Cette méthode de traitement est plus avancée que l'EDM, sa précision est plus élevée et le taux de rendement est grandement amélioré.
Les lasers ultrarapides peuvent également être appliqués à l'usinage de précision des matériaux composites renforcés de fibres, tandis que les améliorations de la précision d'usinage contribueront à étendre l'application des matériaux composites tels que la fibre de carbone dans l'aérospatiale et d'autres domaines haut de gamme.
Domaine de recherche
La technologie de polymérisation à deux photons (2PP) est une méthode d'impression 3D "nano-optique" similaire à la technologie de prototypage rapide photopolymérisable. Le futuriste Christopher Barnatt pense que cette technologie pourrait devenir une forme courante d'impression 3D à l'avenir.
Le principe de la technologie 2PP est de durcir sélectivement la résine photosensible en utilisant un "laser à impulsion femtoseconde". Bien que cela semble similaire au prototypage rapide par photopolymérisation, la différence est que l'épaisseur de couche minimale et la résolution de l'axe XY que la technologie 2PP peut atteindre se situent entre 100 nm et 200 nm. En d'autres termes, la technologie d'impression 2D 3PP est des centaines de fois plus précise que la technologie traditionnelle de moulage par photopolymérisation et les objets imprimés sont plus petits que les bactéries.
Le prix des lasers ultrarapides reste relativement cher mais en tant que pionnier dans l'industrie, STYLECNC produit déjà des équipements de traitement laser ultrarapides et a obtenu de bons retours sur le marché. Un équipement de découpe de précision au laser pour les modules OLED a été lancé sur la base de la technologie laser ultrarapide, de l'équipement de marquage laser ultrarapide (picoseconde/femtoseconde), de l'équipement de traitement laser de chanfreinage du verre pour les écrans d'affichage infrarouge picoseconde et des plaquettes de verre infrarouge picoseconde.
Les produits lancés grâce à ces technologies comprennent des équipements de découpe laser, des découpeuses automatiques invisibles à LED, des tranches de semi-conducteurs machines de découpe laser, un équipement de découpe de couverture en verre pour les modules d'identification d'empreintes digitales, des lignes de production de masse d'affichage flexibles et une série de produits laser ultra-rapides.
Avantages et inconvénients d'un laser ultrarapide
Avantages d'un laser ultrarapide
Le laser ultrarapide est l'une des directions de développement les plus importantes dans le domaine du laser. En tant que technologie émergente, elle présente des avantages significatifs dans le micro-usinage de précision.
L'impulsion ultra-courte générée par le laser ultra-rapide signifie que le laser lui-même n'interagit avec le matériau que pendant un temps très court et n'apportera donc pas de chaleur aux matériaux environnants. De plus, lorsque la largeur d'impulsion laser atteint le niveau picoseconde ou femtoseconde, l'influence sur le mouvement thermique moléculaire peut être largement évitée, ce qui réduit l'influence thermique. Pour cette raison, le traitement laser ultra-rapide est également appelé "traitement à froid".
Un exemple graphique qui montre les avantages d'un laser ultra-rapide pourrait être lorsque nous coupons des œufs en conserve avec un couteau de cuisine émoussé. Nous coupons souvent les œufs en conserve en petits morceaux, donc si vous choisissez plutôt un couteau tranchant qui coupe rapidement, les œufs en conserve seront coupés uniformément et magnifiquement.
Inconvénients d'un laser ultrarapide
Les industries manufacturières haut de gamme, telles que celles qui fabriquent des circuits intégrés et des panneaux, ont des exigences extrêmement élevées en matière d'équipements de traitement au laser et il existe un risque que de nouvelles percées technologiques ne répondent pas aux attentes.
Le prix d'un laser ultra-rapide est élevé et le passage à un nouveau fournisseur de laser présente le risque de ne pas pouvoir étendre le marché comme prévu à l'origine par les fabricants d'équipements laser et les utilisateurs finaux.
Source à partir de stylecnc.com
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