O laser ultrarrápido é um tipo de laser ultraintenso de pulso ultracurto com uma largura de pulso abaixo ou dentro do nível de picossegundos (10-12s), que é definido com base na forma de onda de saída de energia.
O nome do laser é baseado no “fenômeno ultrarrápido”, que se refere a um fenômeno em que o sistema microscópico da matéria muda rapidamente em um processo físico, químico ou biológico. No sistema atômico e molecular, a escala de tempo do movimento de átomos e moléculas é da ordem de picossegundos a femtossegundos. Por exemplo, o período de rotação molecular é da ordem de picossegundos e o período de vibração é da ordem de femtossegundos.
Quando a largura do pulso do laser atinge o nível de picossegundos ou femtossegundos, ela evita em grande parte qualquer influência que tenha sobre o movimento térmico geral das moléculas, que é a essência microscópica da temperatura do fosco. Além disso, o material é influenciado e gerado pela escala de tempo da vibração molecular, o que significa que, durante o processamento, o efeito térmico é bastante reduzido.
Conteúdo
Tipos de laser ultrarrápido
Componentes de um laser ultrarrápido
Aplicações de laser ultrarrápido
Prós e contras de um laser ultrarrápido
Tipos de laser ultrarrápido
Existem muitos métodos de classificação para lasers, com os quatro métodos de classificação mais comumente usados sendo classificação por substância de trabalho, classificação por forma de onda de saída de energia (modo de trabalho), classificação por comprimento de onda de saída (cor) e classificação por potência.
De acordo com a forma de onda de saída de energia, os lasers podem ser divididos em lasers contínuos, lasers pulsados e lasers quase contínuos:
Laser contínuo
Um laser contínuo é um laser que emite continuamente formas de onda de energia estáveis durante o horário de trabalho. Caracteriza-se pela alta potência e capacidade de processar materiais volumosos com alto ponto de fusão, como placas de metal.
Laser pulsado
Os lasers pulsados emitem energia na forma de pulsos. De acordo com a largura de pulso, esses lasers podem ser divididos em lasers de milissegundos, lasers de microssegundos, dispositivos de desligamento de nanossegundos, lasers de picossegundos, lasers de femtossegundos e lasers de attosegundos. Por exemplo, se a largura do pulso do laser de saída estiver entre 1-1000 ns, ele será classificado como um laser de nanossegundo. Para lasers de picossegundos, lasers de femtossegundos, lasers attosegundos e lasers ultrarrápidos, a potência do laser pulsado é muito menor do que a do laser contínuo, mas a precisão do processamento é maior. Em geral, quanto mais estreita a largura do pulso, maior a precisão do processamento.
Laser quase-CW
O laser quasi-CW é um laser de pulso que pode produzir repetidamente um laser de energia relativamente alta dentro de um determinado período.
As formas de onda de saída de energia dos três lasers mencionados acima também podem ser descritas pelo parâmetro "ciclo de trabalho".
Para um laser, o ciclo de trabalho pode ser interpretado como a razão entre o “tempo de saída da energia do laser” em relação ao “tempo total” dentro de um ciclo de pulso. Portanto, ciclo de trabalho do laser CW (=1) > ciclo de trabalho quase-CW do laser > ciclo de trabalho do laser pulsado. Geralmente, quanto mais estreita a largura de pulso do laser pulsado, menor o ciclo de trabalho.
No campo do processamento de materiais, os lasers pulsados foram inicialmente um produto de transição dos lasers contínuos. Isso ocorre porque a potência de saída dos lasers contínuos é incapaz de atingir níveis muito altos devido à influência de fatores, incluindo a capacidade de suporte dos componentes principais e o nível de tecnologia no estágio inicial, bem como o fato de que o material não pode ser aquecido para o ponto de fusão. Esses fatores são os que atingem a finalidade do processamento, ou seja, a necessidade de inovação.
A inovação veio com certos meios técnicos sendo usados para concentrar a energia de saída do laser em um único pulso. Isso impediu que a potência total do laser mudasse, mas permitiu que a potência instantânea no momento do pulso aumentasse bastante e assim satisfizesse os requisitos de processamento de material.
Mais tarde, a tecnologia do laser contínuo amadureceu gradualmente e descobriu-se que o laser pulsado tem uma grande vantagem na precisão do processamento. Isso porque o efeito térmico dos lasers pulsados nos materiais é menor; quanto mais estreita a largura do pulso do laser, menor o efeito térmico; e quanto mais lisa a borda do material processado, maior a precisão de usinagem correspondente.
Componentes de um laser ultrarrápido
Dois dos principais requisitos para um laser ser considerado um laser ultrarrápido são um pulso ultracurto de alta estabilidade e alta energia de pulso. Geralmente, os pulsos ultracurtos podem ser obtidos usando a tecnologia de bloqueio de modo, enquanto a alta energia de pulso pode ser obtida usando a tecnologia de amplificação CPA.
Os principais componentes envolvidos incluem osciladores, esticadores, amplificadores e compressores. Entre eles, o oscilador e o amplificador são os mais desafiadores, mas também são a tecnologia central por trás de qualquer fabricante de laser ultrarrápido.
Oscilador
Uma técnica de bloqueio de modo é usada para obter pulsos de laser ultrarrápidos no oscilador.
Maca
A maca estende os pulsos de sementes de femtossegundos no tempo usando diferentes comprimentos de onda.
Amplificador
Um amplificador chirped é usado para energizar totalmente o pulso agora esticado.
Compressor
O compressor une os espectros amplificados dos vários componentes e os restaura na largura de femtossegundos, formando assim pulsos de laser de femtossegundos com potência instantânea extremamente alta.
Aplicações de laser ultrarrápido
Quando comparados com lasers de nanossegundos e milissegundos, os lasers ultrarrápidos têm menor potência geral, no entanto, uma vez que agem diretamente na escala de tempo das vibrações moleculares do material, os lasers ultrarrápidos realizam “processamento a frio” no verdadeiro sentido, o que significa uma precisão de processamento muito melhorada.
Devido às suas diferentes características, lasers contínuos de alta potência, lasers pulsados não ultrarrápidos e lasers ultrarrápidos apresentam grandes diferenças nos campos de aplicação a jusante:
Lasers contínuos de alta potência (e quase-contínuos) são usados para corte, sinterização, soldagem, revestimento de superfície, perfuração e impressão 3D de materiais metálicos.
Os lasers pulsados não ultrarrápidos são usados para marcar materiais não metálicos, processar materiais de silício, limpar e realizar gravação de precisão em superfícies metálicas, metais de solda de precisão e metais de micromáquinas.
Os lasers ultrarrápidos são usados para cortar e soldar materiais duros e quebradiços, bem como materiais transparentes como vidro, PET e safira. Além disso, são usados para marcação de precisão, cirurgia oftalmológica, passivação microscópica e corrosão.
Do ponto de vista de seu uso, os lasers CW de alta potência e os lasers ultrarrápidos quase não têm relação de substituição mútua. Eles são como machados e pinças, e seus tamanhos têm vantagens e desvantagens.
As aplicações a jusante de lasers pulsados não ultrarrápidos têm alguma sobreposição com as de lasers contínuos e ultrarrápidos. No entanto, a julgar pelos resultados obtidos nas mesmas aplicações, a potência de um laser pulsado não ultrarrápido não é tão boa quanto a de um laser contínuo e sua precisão não é tão boa quanto a de um laser ultrarrápido. Sua característica mais proeminente é o desempenho de custo.
O laser ultravioleta de nanossegundos em particular, embora tenha uma largura de pulso que não atinge o nível de picossegundos, tem uma precisão de processamento muito maior do que outros lasers coloridos de nanossegundos. O laser ultravioleta de nanossegundos é amplamente utilizado no processamento e fabricação de produtos 3C e, como o custo dos lasers ultrarrápidos diminui no futuro, pode ocupar o mercado ultravioleta de nanossegundos.
Os lasers ultrarrápidos realizam o processamento a frio em um sentido real e têm vantagens significativas no processamento de precisão. Além disso, à medida que a tecnologia de produção amadurece gradualmente, o custo desses lasers ultrarrápidos diminuirá. Por esses motivos, espera-se que esses lasers sejam amplamente utilizados em biologia médica, aeroespacial, eletrônicos de consumo, exibição de iluminação, ambiente de energia, maquinário de precisão e outras indústrias a jusante no futuro.
cosmetologia médica
Os lasers ultrarrápidos podem ser usados em equipamentos de cirurgia ocular médica e dispositivos cosméticos. Por exemplo, o laser de femtosegundo é usado na cirurgia de miopia e é conhecido, depois da tecnologia de aberração de frente de onda, como “outra revolução na cirurgia refrativa”.
O eixo ocular dos pacientes míopes é maior do que o eixo ocular normal, o que significa que, quando em estado de relaxamento, o foco dos raios de luz paralelos pelo sistema refrativo do olho após a refração cai na frente da retina. A cirurgia a laser de femtosegundo pode remover o excesso de músculo na dimensão axial e restaurar a distância axial ao seu comprimento normal. A cirurgia a laser de femtosegundo tem as vantagens de alta precisão, alta segurança, alta estabilidade, curto tempo de operação e alto conforto, o que a levou a se tornar um dos métodos de cirurgia de miopia mais populares.
Em termos de beleza, os lasers ultrarrápidos podem ser usados para remover pigmentos e verrugas nativas, remover tatuagens e melhorar o envelhecimento da pele.
Eletrônicos de consumo
Os lasers ultrarrápidos são adequados para processamento de materiais transparentes duros e quebradiços, processamento de filmes finos e marcação de precisão, além de fornecer outras funções no processo de fabricação de eletrônicos de consumo. A safira e o vidro temperado, como o usado em telefones celulares, são considerados materiais duros, quebradiços e transparentes entre as matérias-primas usadas em eletrônicos de consumo.
A safira, em particular, é amplamente usada em itens como relógios inteligentes, capas de câmera de celular e capas de módulo de impressão digital. No entanto, devido aos seus altos níveis de dureza e fragilidade, a eficiência e a taxa de rendimento dos métodos de usinagem tradicionais são muito baixas. Devido a isso, os lasers ultravioleta de nanossegundos e os lasers ultrarrápidos são os principais meios técnicos para cortar safira, sendo o efeito de processamento do laser ultrarrápido melhor que o do laser ultravioleta de nanossegundos. Além das funcionalidades acima, lasers de nanossegundos e picossegundos também são os principais métodos de processamento usados por módulos de câmera e módulos de impressão digital.
Os lasers ultrarrápidos também provavelmente se tornarão a tecnologia dominante para o corte de telas flexíveis de telefones celulares (telas dobráveis) e a correspondente perfuração de vidro 3D no futuro.
Os lasers ultrarrápidos também têm aplicações importantes na fabricação de painéis, com usos que incluem o corte de polarizadores OLED e os processos de descamação e reparo durante a fabricação de LCD/OLED.
Os materiais poliméricos na fabricação de OLED são particularmente sensíveis a influências térmicas. Além disso, o tamanho e o espaçamento das células atualmente feitas são muito pequenos, assim como o tamanho restante do processamento. Isso significa que o processo tradicional de corte e vinco não é mais adequado. As necessidades de produção da indústria e os requisitos de aplicação para telas de formato especial e telas perfuradas estão agora além das capacidades do artesanato tradicional. Assim, os benefícios proporcionados pelos lasers ultrarrápidos são óbvios, especialmente quando se considera os lasers ultravioleta de picossegundos ou mesmo de femtossegundos, que possuem uma pequena zona afetada pelo calor e são mais adequados para aplicações flexíveis, como processamento de curvas.
Micro soldagem
Para componentes de meios sólidos transparentes, como vidro, vários fenômenos, incluindo absorção não linear, danos por fusão, formação de plasma, ablação e propagação de fibra, ocorrerão quando um laser de pulso ultracurto se propagar no meio. A figura mostra os vários fenômenos que ocorrem durante uma interação entre um laser de pulso ultracurto e um material sólido sob diferentes densidades de potência e escalas de tempo.
A tecnologia de microssoldagem a laser de pulso ultracurto é muito adequada para a microssoldagem de materiais transparentes, como vidro, pois não precisa inserir uma camada intermediária, possui alta eficiência, alta precisão, sem efeito térmico macroscópico e apresenta propriedades mecânicas e ópticas após o tratamento de micro-soldagem. Por exemplo, os pesquisadores soldaram com sucesso tampas de extremidade a fibras ópticas padrão e microestruturadas usando pulsos de 70 fs e 250 kHz.
Iluminação da tela
A aplicação de lasers ultrarrápidos no campo da iluminação de displays refere-se principalmente à riscagem e corte de wafers de LED, que é outro exemplo de como os lasers ultrarrápidos são adequados para o processamento de materiais duros e quebradiços. O processamento a laser ultrarrápido tem boa precisão e eficiência, bem como alta planicidade da seção transversal e lascamento de aresta significativamente reduzido.
energia fotovoltaica
Os lasers ultrarrápidos têm amplo espaço de aplicação na fabricação de células fotovoltaicas. Por exemplo, na fabricação de baterias CIGS de filme fino, os lasers ultrarrápidos podem substituir o processo de gravação mecânica original para melhorar significativamente a qualidade da gravação, especialmente para links de gravação P2 e P3, onde quase não há lascas, rachaduras ou resíduos estresse.
Indústria aeroespacial
A tecnologia de resfriamento de filme de ar é necessária ao tentar melhorar o desempenho do motor e o desempenho e a vida útil das pás de turbina usadas no setor aeroespacial. No entanto, isso significa requisitos extremamente altos para a tecnologia de processamento de furos de filme de ar.
Em 2018, o Instituto de Óptica e Mecânica de Xi'an desenvolveu a maior energia de pulso único na China: o laser de fibra de femtosegundo de nível industrial de 26 watts. Além disso, eles desenvolveram uma série de equipamentos de fabricação a laser extremos e ultrarrápidos para alcançar um avanço no “processamento a frio” de orifícios de filme de ar em pás de turbinas de motores aeronáuticos e, assim, preencher a lacuna doméstica. Este método de processamento é mais avançado que o EDM, sua precisão é maior e a taxa de rendimento é muito melhorada.
Os lasers ultrarrápidos também podem ser aplicados à usinagem de precisão de materiais compósitos reforçados com fibra, enquanto as melhorias na precisão da usinagem ajudarão a expandir a aplicação de materiais compósitos, como fibra de carbono, na indústria aeroespacial e em outros campos de ponta.
Campo de pesquisa
A tecnologia de polimerização de dois fótons (2PP) é um método de impressão 3D “nano-óptico” semelhante à tecnologia de prototipagem rápida de fotopolimerização. O futurista Christopher Barnatt acredita que essa tecnologia pode se tornar uma forma dominante de impressão 3D no futuro.
O princípio da tecnologia 2PP é curar seletivamente a resina fotossensível usando um “laser de pulso de femtosegundo”. Embora pareça semelhante à prototipagem rápida de fotopolimerização, a diferença é que a espessura mínima da camada e a resolução do eixo XY que a tecnologia 2PP pode alcançar estão entre 100 nm e 200 nm. Em outras palavras, a tecnologia de impressão 2D 3PP é centenas de vezes mais precisa do que a tecnologia tradicional de moldagem por fotopolimerização e as coisas impressas são menores que as bactérias.
O preço dos lasers ultrarrápidos continua relativamente caro, mas como pioneira na indústria, a STYLECNC já está produzindo equipamentos de processamento a laser ultrarrápido e obteve um bom feedback do mercado. O equipamento de corte de precisão a laser para módulos OLED foi lançado com base na tecnologia de laser ultrarrápido, equipamento de marcação a laser ultrarrápido (picossegundo/femtossegundo), equipamento de processamento a laser para chanfro de vidro para telas infravermelhas de picossegundos e wafers de vidro infravermelhos de picossegundos.
Os produtos lançados graças a essas tecnologias incluem equipamentos de corte a laser, máquinas automáticas de cubos invisíveis LED, wafer semicondutor máquinas de corte a laser, equipamento de corte de tampa de vidro para módulos de identificação de impressões digitais, linhas de produção em massa de telas flexíveis e uma série de produtos a laser ultrarrápidos.
Prós e contras de um laser ultrarrápido
Prós de um laser ultrarrápido
O laser ultrarrápido é uma das direções de desenvolvimento mais importantes dentro do campo do laser. Como uma tecnologia emergente, tem vantagens significativas na microusinagem de precisão.
O pulso ultracurto gerado pelo laser ultrarrápido significa que o próprio laser só interage com o material por um tempo muito curto e, portanto, não levará calor aos materiais circundantes. Além disso, quando a largura do pulso do laser atinge o nível de picossegundos ou femtossegundos, a influência no movimento térmico molecular pode ser amplamente evitada, resultando em menos influência térmica. Por esse motivo, o processamento a laser ultrarrápido também é chamado de “processamento a frio”.
Um exemplo gráfico que mostra as vantagens de um laser super rápido pode ser quando cortamos ovos em conserva com uma faca de cozinha cega. Costumamos cortar os ovos em conserva em pedaços finos; portanto, se você escolher uma faca afiada que corte rapidamente, os ovos em conserva serão cortados de maneira uniforme e bonita.
Contras de um laser ultrarrápido
Indústrias manufatureiras de ponta, como as que fabricam circuitos integrados e painéis, têm requisitos extremamente altos para equipamentos de processamento a laser e existe o risco de novos avanços tecnológicos ficarem aquém das expectativas.
O preço de um laser ultrarrápido é alto e mudar para um novo fornecedor de laser representa o risco de não ser capaz de expandir o mercado como era esperado inicialmente tanto pelos fabricantes de equipamentos de laser quanto pelos usuários finais.
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