Сверхбыстрый лазер — это тип сверхинтенсивного лазера с ультракороткими импульсами с шириной импульса ниже или в пределах пикосекундного уровня (10–12 с), который определяется на основе формы волны выходной энергии.
Название лазера основано на «сверхбыстром явлении», которое относится к явлению, при котором микроскопическая система материи быстро изменяется в физическом, химическом или биологическом процессе. В атомно-молекулярной системе временной масштаб движения атомов и молекул находится в пределах от пикосекунд до фемтосекунд. Например, период вращения молекулы порядка пикосекунд, а период вибрации порядка фемтосекунд.
Когда ширина лазерного импульса достигает уровня пикосекунды или фемтосекунды, он в значительной степени избегает любого влияния, которое он оказывает на общее тепловое движение молекул, что является микроскопической сущностью температуры штейна. Кроме того, на материал воздействует временная шкала молекулярной вибрации, а это означает, что при обработке тепловое воздействие значительно снижается.
Содержание
Типы сверхбыстрого лазера
Компоненты сверхбыстрого лазера
Применение сверхбыстрых лазеров
Плюсы и минусы сверхбыстрого лазера
Типы сверхбыстрого лазера
Существует множество методов классификации лазеров, четыре наиболее часто используемых метода классификации: классификация по рабочему веществу, классификация по форме выходной энергии (рабочий режим), классификация по выходной длине волны (цвету) и классификация по мощности.
По форме выходной энергии лазеры можно разделить на непрерывные лазеры, импульсные лазеры и квазинепрерывные лазеры:
Непрерывный лазер
Лазер непрерывного действия — это лазер, который непрерывно излучает стабильные энергетические волны в течение рабочего времени. Он характеризуется высокой мощностью и способностью обрабатывать объемные материалы с высокой температурой плавления, например металлические пластины.
Импульсный лазер
Импульсные лазеры излучают энергию в виде импульсов. В зависимости от ширины импульса эти лазеры можно разделить на миллисекундные лазеры, микросекундные лазеры, наносекундные отключающие устройства, пикосекундные лазеры, фемтосекундные лазеры и аттосекундные лазеры. Например, если ширина импульса выходного лазера составляет от 1 до 1000 нс, его можно классифицировать как наносекундный лазер. Для пикосекундных лазеров, фемтосекундных лазеров, аттосекундных лазеров и сверхбыстрых лазеров мощность импульсного лазера намного ниже, чем у непрерывного лазера, но точность обработки выше. Как правило, чем уже ширина импульса, тем выше точность обработки.
Квази-непрерывный лазер
Квази-непрерывный лазер представляет собой импульсный лазер, который может многократно выдавать относительно высокоэнергетический лазер в течение определенного периода времени.
Энергетические выходные волны трех упомянутых выше лазеров также могут быть описаны параметром «рабочий цикл».
Для лазера рабочий цикл можно интерпретировать как отношение «времени выхода лазерной энергии» к «общему времени» в пределах импульсного цикла. Таким образом, рабочий цикл непрерывного лазера (=1) > рабочий цикл квази-непрерывного лазера > рабочий цикл импульсного лазера. Как правило, чем уже ширина импульса импульсного лазера, тем меньше рабочий цикл.
В области обработки материалов импульсные лазеры изначально были переходным продуктом непрерывных лазеров. Это связано с тем, что выходная мощность непрерывных лазеров не может достигать очень высоких значений из-за влияния таких факторов, как несущая способность основных компонентов и уровень технологии на ранней стадии, а также тот факт, что материал не может быть нагрет до точка плавления. Именно эти факторы достигают цели обработки, то есть потребности в инновациях.
Инновация пришла с использованием определенных технических средств для концентрации выходной энергии лазера в одном импульсе. Это остановило изменение общей мощности лазера, но позволило значительно увеличить мгновенную мощность во время импульса и, таким образом, удовлетворить требования обработки материалов.
Позже технология непрерывного лазера постепенно развивалась, и было обнаружено, что импульсный лазер имеет большое преимущество в точности обработки. Это связано с тем, что тепловое воздействие импульсных лазеров на материалы меньше; чем уже ширина лазерного импульса, тем меньше тепловой эффект; и чем ровнее край обрабатываемого материала, тем выше соответствующая точность обработки.
Компоненты сверхбыстрого лазера
Двумя основными требованиями к лазеру, который считается сверхбыстрым лазером, являются высокая стабильность сверхкоротких импульсов и высокая энергия импульса. Как правило, ультракороткие импульсы могут быть получены с использованием технологии синхронизации мод, а высокая энергия импульса может быть получена с использованием технологии усиления CPA.
Основные задействованные компоненты включают генераторы, расширители, усилители и компрессоры. Среди них генератор и усилитель являются наиболее сложными, но они также являются основной технологией любой компании-производителя сверхбыстрых лазеров.
Генератор
Метод синхронизации мод используется для получения сверхбыстрых лазерных импульсов в генераторе.
носилки
Растяжитель растягивает фемтосекундные затравочные импульсы во времени, используя разные длины волн.
Усилитель
ЛЧМ-усилитель используется для полной активации растянутого импульса.
Компрессор
Компрессор объединяет усиленные спектры различных компонентов и восстанавливает их до фемтосекундной ширины, тем самым формируя фемтосекундные лазерные импульсы с чрезвычайно высокой мгновенной мощностью.
Применение сверхбыстрых лазеров
По сравнению с наносекундными и миллисекундными лазерами сверхбыстрые лазеры имеют меньшую общую мощность, однако, поскольку они непосредственно воздействуют на временную шкалу молекулярных колебаний материала, сверхбыстрые лазеры реализуют «холодную обработку» в истинном смысле, что означает значительно улучшенную точность обработки.
Из-за различных характеристик мощные непрерывные лазеры, несверхбыстрые импульсные лазеры и сверхбыстрые лазеры представляют собой большие различия в последующих областях применения:
Мощные непрерывные лазеры (и квазинепрерывные лазеры) используются для резки, спекания, сварка, облицовка поверхностей, сверление и 3D-печать металлических материалов.
Несверхбыстрые импульсные лазеры используются для маркировки неметаллических материалов, обработки кремниевых материалов, очистки и проведения прецизионная гравировка на металлических поверхностях, металлах прецизионной сварки и металлах микромашин.
Сверхбыстрые лазеры используются для резки и сварки твердых и хрупких материалов, а также прозрачных материалов, таких как стекло, ПЭТ и сапфир. Кроме того, они используются для прецизионная маркировка, офтальмохирургия, микроскопическая пассивация и травление.
С точки зрения применения мощные непрерывные лазеры и сверхбыстрые лазеры практически не взаимозаменяемы. Они как топоры и пинцеты, и их размеры имеют как свои преимущества, так и недостатки.
Последующие приложения не сверхбыстрых импульсных лазеров в некоторой степени совпадают с приложениями непрерывных лазеров и сверхбыстрых лазеров. Однако, судя по результатам, полученным при тех же приложениях, мощность несверхбыстрого импульсного лазера не так хороша, как у непрерывного лазера, и его точность не так хороша, как у сверхбыстрого лазера. Его наиболее характерной чертой является экономическая эффективность.
В частности, наносекундный ультрафиолетовый лазер, хотя и имеет ширину импульса, не достигающую пикосекундного уровня, имеет гораздо более высокую точность обработки, чем другие цветные наносекундные лазеры. Наносекундный ультрафиолетовый лазер широко используется в обработке и производстве продуктов 3C, и по мере снижения стоимости сверхбыстрых лазеров в будущем он может занять рынок наносекундного ультрафиолетового излучения.
Сверхбыстрые лазеры реализуют холодную обработку в реальном смысле и имеют значительные преимущества в прецизионной обработке. Кроме того, по мере постепенного совершенствования технологии производства стоимость этих сверхбыстрых лазеров будет снижаться. По этим причинам ожидается, что в будущем эти лазеры будут широко использоваться в медицинской биологии, аэрокосмической промышленности, бытовой электронике, световых дисплеях, энергетике, точном машиностроении и других отраслях промышленности.
Медицинская косметология
Сверхбыстрые лазеры могут использоваться в медицинском оборудовании для хирургии глаза и косметических устройствах. Например, фемтосекундный лазер используется в хирургии близорукости и известен после технологии аберрации волнового фронта как «еще одна революция в рефракционной хирургии».
Ось глаза у пациентов с близорукостью больше, чем ось нормального глаза, а это означает, что в состоянии расслабления фокус параллельных световых лучей рефракционной системы глаза после преломления попадает перед сетчаткой. Хирургия фемтосекундным лазером может удалить избыток мышц в аксиальном направлении и восстановить нормальную длину аксиального расстояния. Фемтосекундная лазерная хирургия обладает преимуществами высокой точности, высокой безопасности, высокой стабильности, короткого времени операции и высокого комфорта, что сделало ее одним из самых популярных методов хирургии близорукости.
С точки зрения красоты, сверхбыстрые лазеры можно использовать для удаления пигмента и родинок, удаления татуировок, замедления старения кожи.
Бытовая электроника
Сверхбыстрые лазеры подходят для обработки твердых и хрупких прозрачных материалов, обработки тонких пленок и точной маркировки, а также для выполнения других функций в процессе производства бытовой электроники. Сапфир и закаленное стекло, например, используемое в мобильных телефонах, считаются твердыми, хрупкими и прозрачными материалами среди сырья, используемого в бытовой электронике.
Сапфир, в частности, широко используется в таких изделиях, как смарт-часы, крышки камер мобильных телефонов и крышки модулей отпечатков пальцев. Однако из-за высокого уровня твердости и хрупкости эффективность и производительность традиционных методов обработки очень низки. Благодаря этому наносекундные ультрафиолетовые лазеры и сверхбыстрые лазеры являются основными техническими средствами для резки сапфира, при этом эффект обработки сверхбыстрым лазером лучше, чем у ультрафиолетового наносекундного лазера. В дополнение к вышеперечисленным функциям наносекундные и пикосекундные лазеры также являются основными методами обработки, используемыми модулями камеры и модулями отпечатков пальцев.
Сверхбыстрые лазеры также, скорее всего, станут основной технологией для резки гибких экранов мобильных телефонов (складных экранов) и соответствующего трехмерного сверления стекла в будущем.
Сверхбыстрые лазеры также находят важное применение в производстве панелей, включая резку поляризаторов OLED, а также процессы очистки и ремонта при производстве LCD/OLED.
Полимерные материалы в производстве OLED особенно чувствительны к тепловым воздействиям. Кроме того, размер и расстояние между сделанными в настоящее время ячейками очень малы, как и оставшийся размер обработки. Это означает, что традиционный процесс высечки больше не подходит. Производственные потребности промышленности и требования к применению сит специальной формы и перфорированных сит в настоящее время выходят за рамки возможностей традиционных ремесел. Таким образом, преимущества сверхбыстрых лазеров очевидны, особенно если рассматривать пикосекундные ультрафиолетовые или даже фемтосекундные лазеры, которые имеют небольшую зону термического влияния и больше подходят для гибких приложений, таких как обработка кривых.
Микросварка
Для компонентов прозрачных твердых сред, таких как стекло, при распространении в среде лазера ультракоротких импульсов будут возникать различные явления, включая нелинейное поглощение, повреждение при плавлении, образование плазмы, абляцию и распространение волокна. На рисунке показаны различные явления, происходящие при взаимодействии лазера ультракоротких импульсов с твердым материалом при различных плотностях мощности и масштабах времени.
Технология сверхкороткоимпульсной лазерной микросварки очень хорошо подходит для микросварки прозрачных материалов, таких как стекло, поскольку не требует вставки промежуточного слоя, обладает высокой эффективностью, высокой точностью, отсутствием макроскопического термического эффекта и представляет собой идеальную механические и оптические свойства после обработки микросваркой. Например, исследователи успешно приварили концевые заглушки к стандартным и микроструктурированным оптическим волокнам, используя импульсы 70 фс, 250 кГц.
Подсветка дисплея
Применение сверхбыстрых лазеров в области освещения дисплеев в основном относится к разметке и резке светодиодных пластин, что является еще одним примером того, как сверхбыстрые лазеры подходят для обработки твердых и хрупких материалов. Сверхбыстрая лазерная обработка отличается хорошей точностью и эффективностью, а также высокой плоскостностью поперечного сечения и значительно сниженным выкрашиванием кромок.
Фотоэлектрическая энергия
Сверхбыстрые лазеры имеют широкое применение в производстве фотогальванических элементов. Например, при производстве тонкопленочных аккумуляторов CIGS сверхбыстрые лазеры могут заменить первоначальный процесс механического скрайбирования, чтобы значительно улучшить качество скрайбирования, особенно для скрайбирующих звеньев P2 и P3, где практически отсутствуют сколы, трещины или остаточные дефекты. стресс.
Аэрокосмическая индустрия
Технология воздушно-пленочного охлаждения необходима при попытке улучшить характеристики двигателя, а также производительность и срок службы лопаток турбин, используемых в аэрокосмической отрасли. Однако это означает чрезвычайно высокие требования к технологии обработки отверстий воздушной пленкой.
В 2018 году Сианьский институт оптики и механики разработал самый мощный одиночный импульс в Китае: 26-ваттный фемтосекундный волоконный лазер промышленного класса. Кроме того, они разработали серию экстремального, сверхбыстрого лазерного производственного оборудования, чтобы добиться прорыва в «холодной обработке» отверстий воздушной пленки в лопатках турбин авиационных двигателей и тем самым заполнить пробел в отечественном производстве. Этот метод обработки является более совершенным, чем электроэрозионный, его точность выше, а выход значительно выше.
Сверхбыстрые лазеры также могут применяться для прецизионной обработки композитных материалов, армированных волокном, а повышение точности обработки поможет расширить применение композитных материалов, таких как углеродное волокно, в аэрокосмической и других высокотехнологичных областях.
Область исследования
Технология двухфотонной полимеризации (2PP) представляет собой «нанооптический» метод 3D-печати, аналогичный светоотверждаемой технологии быстрого прототипирования. Футурист Кристофер Барнатт считает, что эта технология может стать основной формой 3D-печати в будущем.
Принцип технологии 2PP заключается в избирательном отверждении светочувствительной смолы с помощью «фемтосекундного импульсного лазера». Хотя это похоже на фотоотверждение для быстрого прототипирования, разница заключается в том, что минимальная толщина слоя и разрешение по оси XY, которых может достичь технология 2PP, составляют от 100 до 200 нм. Другими словами, технология 2D-печати 3PP в сотни раз точнее, чем традиционная технология светоотверждаемого формования, а напечатанные объекты меньше бактерий.
Цена на сверхбыстрые лазеры остается относительно высокой, но компания STYLECNC, являясь пионером в отрасли, уже производит оборудование для сверхбыстрой лазерной обработки и получила хорошие отзывы на рынке. Было запущено оборудование для лазерной прецизионной резки модулей OLED на основе сверхбыстрой лазерной технологии, сверхбыстрого (пикосекундного/фемтосекундного) оборудования для лазерной маркировки, оборудования для лазерной обработки стекла для пикосекундных инфракрасных дисплеев и пикосекундных инфракрасных стеклянных пластин.
Продукты, выпущенные благодаря этим технологиям, включают оборудование для лазерной резки, светодиодные автоматические невидимые машины для нарезки кубиками, полупроводниковые пластины. лазерные станки, оборудование для резки стеклянных крышек для модулей идентификации по отпечаткам пальцев, линии массового производства гибких дисплеев и серию сверхбыстрых лазерных продуктов.
Плюсы и минусы сверхбыстрого лазера
Плюсы сверхбыстрого лазера
Сверхбыстрый лазер является одним из важнейших направлений развития лазерной техники. Как новая технология, она имеет значительные преимущества в прецизионной микрообработке.
Ультракороткий импульс, генерируемый сверхбыстрым лазером, означает, что сам лазер взаимодействует с материалом только в течение очень короткого времени и, следовательно, не передает тепло окружающим материалам. Кроме того, когда ширина лазерного импульса достигает пикосекундного или фемтосекундного уровня, можно в значительной степени избежать влияния на молекулярное тепловое движение, что приводит к меньшему тепловому влиянию. По этой причине сверхбыстрая лазерная обработка также называется «холодной обработкой».
Наглядный пример, демонстрирующий преимущества сверхбыстрого лазера, может быть, когда мы разрезаем консервированные яйца тупым кухонным ножом. Мы часто режем консервированные яйца на мелкие кусочки, поэтому, если вместо этого вы выберете острое лезвие ножа, который режет быстро, консервированные яйца будут нарезаны ровно и красиво.
Минусы сверхбыстрого лазера
Высокотехнологичные отрасли производства, такие как производство интегральных схем и панелей, предъявляют чрезвычайно высокие требования к оборудованию для лазерной обработки, и существует риск того, что новые технологические прорывы не оправдают ожиданий.
Цена сверхбыстрого лазера высока, и переход к новому поставщику лазера сопряжен с риском неспособности расширить рынок, как первоначально ожидали как производители лазерного оборудования, так и конечные пользователи.
Источник из stylecnc.com
Отказ от ответственности: информация, изложенная выше, предоставлена stylecnc независимо от Alibaba.com. Alibaba.com не делает заявлений и не дает гарантий в отношении качества и надежности продавца и продукции.
