Il laser ultraveloce è un tipo di laser a impulsi ultra-intensi e ultra-brevi con un'ampiezza dell'impulso inferiore o compresa nel livello dei picosecondi (10-12 secondi), definito in base alla forma d'onda dell'emissione di energia.
Il nome del laser si basa sul "fenomeno ultraveloce", che si riferisce a un fenomeno in cui il sistema microscopico della materia cambia rapidamente in un processo fisico, chimico o biologico. Nel sistema atomico e molecolare, la scala temporale del moto di atomi e molecole è dell'ordine di picosecondi a femtosecondi. Ad esempio, il periodo di rotazione molecolare è dell'ordine dei picosecondi e il periodo di vibrazione è dell'ordine dei femtosecondi.
Quando l'ampiezza dell'impulso laser raggiunge il livello di picosecondi o femtosecondi, evita in gran parte qualsiasi influenza che ha sul movimento termico complessivo delle molecole, che è l'essenza microscopica della temperatura del matte. Inoltre, il materiale è influenzato e generato dalla scala temporale della vibrazione molecolare, il che significa che durante la lavorazione l'effetto termico è notevolmente ridotto.
Sommario
Tipi di laser ultraveloci
Componenti di un laser ultraveloce
Applicazioni laser ultraveloci
Pro e contro di un laser ultraveloce
Tipi di laser ultraveloci
Esistono molti metodi di classificazione per i laser, con i quattro metodi di classificazione più comunemente utilizzati che sono la classificazione per sostanza di lavoro, la classificazione per forma d'onda di emissione di energia (modalità di lavoro), la classificazione per lunghezza d'onda di emissione (colore) e la classificazione per potenza.
In base alla forma d'onda dell'emissione di energia, i laser possono essere suddivisi in laser continui, laser pulsati e laser quasi continui:
Laser continuo
Un laser continuo è un laser che emette continuamente forme d'onda di energia stabili durante l'orario di lavoro. È caratterizzato da un'elevata potenza e dalla sua capacità di lavorare materiali voluminosi con un alto punto di fusione, come le lastre di metallo.
Laser pulsato
I laser pulsati emettono energia sotto forma di impulsi. In base all'ampiezza dell'impulso, questi laser possono essere ulteriormente suddivisi in laser a millisecondi, laser a microsecondi, dispositivi di spegnimento a nanosecondi, laser a picosecondi, laser a femtosecondi e laser ad attosecondi. Ad esempio, se l'ampiezza dell'impulso del laser di uscita è compresa tra 1 e 1000 ns, verrebbe classificato come laser a nanosecondi. Per laser a picosecondi, laser a femtosecondi, laser ad attosecondi e laser ultraveloci, la potenza del laser pulsato è molto inferiore a quella del laser continuo ma la precisione di elaborazione è maggiore. In generale, minore è l'ampiezza dell'impulso, maggiore è la precisione di elaborazione.
Laser quasi CW
Il laser quasi-CW è un laser a impulsi che può emettere ripetutamente un laser ad alta energia entro un certo periodo.
Le forme d'onda di emissione di energia dei tre laser sopra menzionati possono anche essere descritte dal parametro "ciclo di lavoro".
Per un laser, il ciclo di lavoro può essere interpretato come il rapporto tra il "tempo di emissione di energia laser" rispetto al "tempo totale" all'interno di un ciclo di impulsi. Quindi, ciclo di lavoro del laser CW (= 1) > ciclo di lavoro del laser quasi CW > ciclo di lavoro del laser pulsato. In generale, minore è l'ampiezza dell'impulso del laser pulsato, minore è il ciclo di lavoro.
Nel campo della lavorazione dei materiali, i laser pulsati erano inizialmente un prodotto di transizione dei laser continui. Questo perché la potenza di uscita dei laser continui non è in grado di raggiungere valori molto elevati a causa dell'influenza di fattori tra cui la capacità portante dei componenti principali e il livello di tecnologia nella fase iniziale, nonché il fatto che il materiale non può essere riscaldato a il punto di fusione. Questi fattori sono ciò che raggiunge lo scopo del trattamento, ovvero la necessità di innovazione.
L'innovazione è arrivata con alcuni mezzi tecnici utilizzati per concentrare l'energia di uscita del laser su un singolo impulso. Ciò ha impedito il cambiamento della potenza totale del laser, ma ha consentito alla potenza istantanea al momento dell'impulso di aumentare notevolmente e soddisfare così i requisiti della lavorazione del materiale.
Successivamente, la tecnologia laser continua è gradualmente maturata e si è scoperto che il laser pulsato ha un grande vantaggio nella precisione di elaborazione. Questo perché l'effetto termico dei laser pulsati sui materiali è minore; minore è l'ampiezza dell'impulso laser, minore è l'effetto termico; e più liscio è il bordo del materiale lavorato, maggiore è la corrispondente precisione di lavorazione.
Componenti di un laser ultraveloce
Due dei requisiti fondamentali affinché un laser possa essere considerato un laser ultraveloce sono un impulso ultracorto ad alta stabilità e un'elevata energia dell'impulso. Generalmente, gli impulsi ultracorti possono essere ottenuti utilizzando la tecnologia di blocco della modalità, mentre l'elevata energia dell'impulso può essere ottenuta utilizzando la tecnologia di amplificazione CPA.
I componenti principali coinvolti includono oscillatori, barelle, amplificatori e compressori. Tra questi, l'oscillatore e l'amplificatore sono i più impegnativi, ma sono anche la tecnologia di base alla base di qualsiasi azienda produttrice di laser ultraveloci.
Oscillatore
Una tecnica di blocco della modalità viene utilizzata per ottenere impulsi laser ultraveloci nell'oscillatore.
Barella
La barella allunga gli impulsi seme di femtosecondi nel tempo utilizzando diverse lunghezze d'onda.
Amplificatore
Un amplificatore cinguettante viene utilizzato per energizzare completamente l'impulso ora allungato.
Compressore
Il compressore unisce gli spettri amplificati dei vari componenti e li riporta alla larghezza del femtosecondo, formando così impulsi laser al femtosecondo con potenza istantanea estremamente elevata.
Applicazioni laser ultraveloci
Rispetto ai laser a nanosecondi e millisecondi, i laser ultraveloci hanno una potenza complessiva inferiore, tuttavia, poiché agiscono direttamente sulla scala temporale delle vibrazioni molecolari del materiale, i laser ultraveloci realizzano una "lavorazione a freddo" nel vero senso della parola, il che significa una precisione di elaborazione notevolmente migliorata.
A causa delle loro diverse caratteristiche, i laser continui ad alta potenza, i laser pulsati non ultraveloci e i laser ultraveloci presentano tutti grandi differenze nei campi di applicazione a valle:
I laser continui ad alta potenza (e i laser quasi continui) vengono utilizzati per il taglio, la sinterizzazione, saldatura, rivestimento superficiale, foratura e stampa 3D di materiali metallici.
I laser pulsati non ultraveloci vengono utilizzati per marcare materiali non metallici, lavorare materiali siliconici, pulire ed eseguire incisione di precisione su superfici metalliche, metalli saldati di precisione e metalli per micromacchine.
I laser ultraveloci vengono utilizzati per tagliare e saldare materiali duri e fragili, nonché materiali trasparenti come vetro, PET e zaffiro. Inoltre, sono usati per marcatura di precisione, chirurgia oftalmica, passivazione microscopica e mordenzatura.
Dal punto di vista del loro utilizzo, i laser CW ad alta potenza e i laser ultraveloci non hanno quasi alcuna relazione di sostituzione reciproca. Sono come asce e pinzette e le loro dimensioni hanno sia vantaggi che svantaggi.
Le applicazioni a valle dei laser pulsati non ultraveloci hanno alcune sovrapposizioni con quelle dei laser continui e dei laser ultraveloci. Tuttavia, a giudicare dai risultati ottenuti nelle stesse applicazioni, la potenza di un laser pulsato non ultraveloce non è buona come quella di un laser continuo e la sua precisione non è buona come quella di un laser ultraveloce. La sua caratteristica più importante è il rapporto costo/prestazioni.
Il laser ultravioletto a nanosecondi in particolare, pur avendo un'ampiezza di impulso che non raggiunge il livello del picosecondo, ha una precisione di elaborazione molto più elevata rispetto ad altri laser a nanosecondi a colori. Il laser ultravioletto al nanosecondo è ampiamente utilizzato nella lavorazione e nella produzione di prodotti 3C e poiché il costo dei laser ultraveloci diminuisce in futuro, potrebbe occupare il mercato dell'ultravioletto al nanosecondo.
I laser ultraveloci realizzano la lavorazione a freddo in senso reale e presentano vantaggi significativi nella lavorazione di precisione. Inoltre, man mano che la tecnologia di produzione matura, il costo di questi laser ultraveloci diminuirà. Per questi motivi, si prevede che in futuro questi laser saranno ampiamente utilizzati in biologia medica, aerospaziale, elettronica di consumo, display di illuminazione, ambiente energetico, macchinari di precisione e altre industrie a valle.
Cosmetologia medica
I laser ultraveloci possono essere utilizzati nelle apparecchiature mediche per la chirurgia oculistica e nei dispositivi cosmetici. Ad esempio, il laser a femtosecondi viene utilizzato nella chirurgia della miopia ed è noto, dopo la tecnologia dell'aberrazione del fronte d'onda, come "un'altra rivoluzione nella chirurgia refrattiva".
L'asse dell'occhio dei pazienti miopi è più grande di un normale asse dell'occhio, il che significa che in uno stato di rilassamento, il fuoco dei raggi di luce paralleli dal sistema di rifrazione dell'occhio dopo la rifrazione cade davanti alla retina. La chirurgia laser a femtosecondi può rimuovere il muscolo in eccesso nella dimensione assiale e ripristinare la distanza assiale alla sua lunghezza normale. La chirurgia laser a femtosecondi presenta i vantaggi di elevata precisione, elevata sicurezza, elevata stabilità, breve tempo di funzionamento e elevato comfort, che l'hanno portata a diventare uno dei metodi di chirurgia della miopia più diffusi.
In termini di bellezza, i laser ultraveloci possono essere utilizzati per rimuovere il pigmento e i nei nativi, rimuovere i tatuaggi e migliorare l'invecchiamento della pelle.
Elettronica di consumo
I laser ultraveloci sono adatti per la lavorazione di materiali trasparenti duri e fragili, la lavorazione di film sottili e la marcatura di precisione, oltre a fornire altre funzioni all'interno del processo di produzione dell'elettronica di consumo. Lo zaffiro e il vetro temperato, come quello utilizzato nei telefoni cellulari, sono considerati materiali duri, fragili e trasparenti tra le materie prime utilizzate nell'elettronica di consumo.
Lo zaffiro in particolare è ampiamente utilizzato in articoli come orologi intelligenti, cover per fotocamere di telefoni cellulari e cover per moduli di impronte digitali. Tuttavia, a causa dei suoi elevati livelli di durezza e fragilità, l'efficienza e il tasso di resa dei metodi di lavorazione tradizionali sono molto bassi. Per questo motivo, i laser ultravioletti a nanosecondi e i laser ultraveloci sono i principali mezzi tecnici per tagliare lo zaffiro, con l'effetto di elaborazione del laser ultraveloce migliore di quello del laser a nanosecondi ultravioletti. Oltre alle funzionalità di cui sopra, i laser a nanosecondi e picosecondi sono anche i principali metodi di elaborazione utilizzati dai moduli fotocamera e dai moduli per impronte digitali.
I laser ultraveloci diventeranno molto probabilmente anche la tecnologia mainstream per il taglio di schermi flessibili per telefoni cellulari (schermi pieghevoli) e la corrispondente perforazione del vetro 3D in futuro.
I laser ultraveloci hanno anche importanti applicazioni nella produzione di pannelli, con usi che includono il taglio di polarizzatori OLED e i processi di pelatura e riparazione durante la produzione di LCD/OLED.
I materiali polimerici nella produzione di OLED sono particolarmente sensibili alle influenze termiche. Inoltre, le dimensioni e la spaziatura delle celle attualmente realizzate sono molto ridotte, così come le restanti dimensioni di lavorazione. Ciò significa che il tradizionale processo di fustellatura non è più adatto. Le esigenze di produzione dell'industria e i requisiti applicativi per schermi di forme speciali e schermi perforati sono ormai al di là delle capacità dell'artigianato tradizionale. Pertanto, i vantaggi forniti dai laser ultraveloci sono evidenti, soprattutto se si considerano i laser a picosecondi ultravioletti o addirittura a femtosecondi, che hanno una piccola zona interessata dal calore e sono più adatti per applicazioni flessibili come l'elaborazione di curve.
Microsaldatura
Per i componenti di supporti solidi trasparenti, come il vetro, si verificheranno vari fenomeni tra cui assorbimento non lineare, danni da fusione, formazione di plasma, ablazione e propagazione di fibre quando un laser a impulsi ultrabrevi si propaga nel mezzo. La figura mostra i vari fenomeni che si verificano durante un'interazione tra un laser a impulsi ultracorti e un materiale solido quando si trovano in diverse densità di potenza e scale temporali.
La tecnologia di microsaldatura laser a impulsi ultracorti è molto adatta alla microsaldatura di materiali trasparenti come il vetro poiché non necessita di inserire uno strato intermedio, ha un'elevata efficienza, un'elevata precisione, nessun effetto termico macroscopico e presenta ideali proprietà meccaniche ed ottiche dopo il trattamento di microsaldatura. Ad esempio, i ricercatori hanno saldato con successo tappi terminali a fibre ottiche standard e microstrutturate utilizzando impulsi da 70 fs, 250 kHz.
Illuminazione del display
L'applicazione di laser ultraveloci nel campo dell'illuminazione di display si riferisce principalmente all'incisione e al taglio di wafer LED, che è un altro esempio di come i laser ultraveloci siano adatti alla lavorazione di materiali duri e fragili. La lavorazione laser ultraveloce ha una buona precisione ed efficienza, nonché un'elevata planarità della sezione trasversale e una scheggiatura dei bordi significativamente ridotta.
Energia fotovoltaica
I laser ultraveloci hanno un ampio spazio di applicazione nella produzione di celle fotovoltaiche. Ad esempio, nella produzione di batterie a film sottile CIGS, i laser ultraveloci possono sostituire il processo di incisione meccanica originale per migliorare significativamente la qualità dell'incisione, in particolare per i collegamenti di incisione P2 e P3, dove non si possono ottenere quasi scheggiature, crepe o residui fatica.
Aeronautico
La tecnologia di raffreddamento a film d'aria è necessaria quando si cerca di migliorare le prestazioni del motore e le prestazioni e la durata delle pale delle turbine utilizzate nel settore aerospaziale. Tuttavia, ciò significa requisiti estremamente elevati per la tecnologia di lavorazione del foro del film d'aria.
Nel 2018, l'Istituto di ottica e meccanica di Xi'an ha sviluppato la più alta energia a singolo impulso in Cina: il laser a fibra a femtosecondi di livello industriale da 26 watt. Inoltre, hanno sviluppato una serie di apparecchiature di produzione laser estreme e ultraveloci per ottenere una svolta nella "lavorazione a freddo" dei fori del film d'aria nelle pale delle turbine dei motori aeronautici e quindi colmare il divario nazionale. Questo metodo di elaborazione è più avanzato dell'EDM, la sua precisione è maggiore e il tasso di rendimento è notevolmente migliorato.
I laser ultraveloci possono anche essere applicati alla lavorazione di precisione di materiali compositi rinforzati con fibre, mentre i miglioramenti nella precisione della lavorazione contribuiranno a espandere l'applicazione di materiali compositi come la fibra di carbonio nel settore aerospaziale e in altri campi di fascia alta.
Campo di ricerca
La tecnologia di polimerizzazione a due fotoni (2PP) è un metodo di stampa 3D "nano-ottico" simile alla tecnologia di prototipazione rapida fotopolimerizzabile. Il futurista Christopher Barnatt ritiene che questa tecnologia possa diventare una forma tradizionale di stampa 3D in futuro.
Il principio della tecnologia 2PP consiste nell'indurire selettivamente la resina fotosensibile utilizzando un "laser a impulsi al femtosecondo". Anche se sembra simile alla prototipazione rapida con fotopolimerizzazione, la differenza è che lo spessore minimo dello strato e la risoluzione dell'asse XY che la tecnologia 2PP può raggiungere sono compresi tra 100 nm e 200 nm. In altre parole, la tecnologia di stampa 2D 3PP è centinaia di volte più precisa della tradizionale tecnologia di stampaggio fotopolimerizzabile e le cose stampate sono più piccole dei batteri.
Il prezzo dei laser ultraveloci rimane relativamente alto ma, in qualità di pioniere nel settore, STYLECNC sta già producendo apparecchiature di elaborazione laser ultraveloci e ha ottenuto un buon riscontro di mercato. Sono state lanciate apparecchiature di taglio laser di precisione per moduli OLED basate su tecnologia laser ultraveloce, apparecchiature di marcatura laser ultraveloce (picosecondi/femtosecondi), apparecchiature di lavorazione laser per smussatura del vetro per schermi di visualizzazione a infrarossi a picosecondi e wafer di vetro a infrarossi a picosecondi.
I prodotti lanciati grazie a queste tecnologie includono apparecchiature per il taglio laser, macchine automatiche per cubetti invisibili a LED, wafer semiconduttori macchine da taglio laser, attrezzature per il taglio di coperture in vetro per moduli di identificazione delle impronte digitali, linee di produzione di massa di display flessibili e una serie di prodotti laser ultraveloci.
Pro e contro di un laser ultraveloce
Pro di un laser ultraveloce
Il laser ultraveloce è una delle direzioni di sviluppo più importanti nel campo del laser. Come tecnologia emergente, presenta vantaggi significativi nella microlavorazione di precisione.
L'impulso ultrabreve generato dal laser ultraveloce significa che il laser stesso interagisce con il materiale solo per un tempo molto breve e quindi non porterà calore ai materiali circostanti. Inoltre, quando l'ampiezza dell'impulso laser raggiunge il livello di picosecondi o femtosecondi, l'influenza sul movimento termico molecolare può essere ampiamente evitata, con conseguente minore influenza termica. Per questo motivo, la lavorazione laser ultraveloce è chiamata anche "lavorazione a freddo".
Un esempio grafico che mostra i vantaggi di un laser superveloce potrebbe essere quando tagliamo le uova conservate con un coltello da cucina smussato. Spesso tagliamo le uova conservate in pezzi sottili, quindi se scegli un coltello affilato che tagli velocemente, le uova conservate saranno tagliate in modo uniforme e bello.
Contro di un laser ultraveloce
Le industrie manifatturiere di fascia alta, come quelle che producono circuiti integrati e pannelli, hanno requisiti estremamente elevati per le apparecchiature di lavorazione laser e vi è il rischio che le nuove scoperte tecnologiche non siano all'altezza delle aspettative.
Il prezzo di un laser ultraveloce è elevato e il passaggio a un nuovo fornitore di laser comporta il rischio di non essere in grado di espandere il mercato come inizialmente previsto sia dai produttori di apparecchiature laser che dagli utenti finali.
Fonte da stylecnc.com
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