дефиниция
Ултрабързият лазер е вид ултраинтензивен ултракъс импулсен лазер с ширина на импулса по-малка от или в рамките на пико2-то ниво (10-12s), който се определя въз основа на формата на вълната на изходната енергия. Това определение е свързано с „ултрабързи явления“. Ултрабързият феномен се отнася до явление, което се случва във физичен, химичен или биологичен процес, който се променя бързо в микроскопичната система на материята. В атомната и молекулярната система времевата скала на движението на атомите и молекулите е от порядъка на пикосекунди до фемтосекунди. Например, периодът на молекулярно въртене е от порядъка на пикосекунди, а периодът на вибрация е от порядъка на фемтосекунди. Когато ширината на лазерния импулс достигне ниво от пико2-то или фемтосекунда, това може до голяма степен да избегне влиянието върху общото топлинно движение на молекулите (топлинното движение на молекулите е микроскопичната същност на температурата на материята) и материалът се генерира във времевата скала на молекулярните вибрации. Това влияние може да се постигне при постигане на целта на обработката, като същевременно се намалява значително топлинният ефект.
Видове
Съществуват много методи за класификация на лазерите, сред които има 4 най-често използвани метода за класификация, включително класификация по работно вещество, класификация по форма на вълната на изходната енергия (работен режим), класификация по дължина на вълната на изхода (цвят) и класификация по мощност.
Според формата на вълната на изходната енергия, лазерите могат да бъдат разделени на непрекъснати лазери, импулсни лазери и квазинепрекъснати лазери:
Непрекъснат лазер
Това е лазер, който непрекъснато генерира стабилни енергийни вълнови форми по време на работно време. Характеризира се с висока мощност и може да обработва материали с голям обем и висока точка на топене, като например метални плочи.
Импулсен лазер
Той извежда енергия под формата на импулси. Според ширината на импулса, може да се раздели на милисекундни лазери, микросекундни лазери, наносекундни устройства за изключване, пикосекундни лазери, фемтосекундни лазери и аттосекундни лазери; например, ако импулсен лазер има ширина на импулса между 2-2ns, които наричаме наносекундни лазери и т.н. Наричаме ги пикосекундни лазери, фемтосекундни лазери, аттосекундни лазери и ултрабързи лазери. Мощността на импулсния лазер е много по-ниска от тази на непрекъснатия лазер, но точността на обработка е по-висока от тази на непрекъснатия лазер и като цяло, колкото по-тясна е ширината на импулса, толкова по-висока е точността на обработка.
Квази-непрекъснат лазер
Той може многократно да извежда лазер с относително висока енергия в рамките на определен период и на теория е и импулсен лазер.
Формите на вълните на изходната енергия на горните 3 лазера могат да бъдат описани и чрез параметъра "работен цикъл". За един лазер работният цикъл може да се интерпретира като съотношението на времето на изходна лазерна енергия спрямо общото време в рамките на един импулсен цикъл.
Коефициент на запълване на CW лазера (=1) > квази-CW работен цикъл на лазера > работен цикъл на импулсния лазер. Обикновено, колкото по-тясна е ширината на импулса на импулсния лазер, толкова по-нисък е коефициентът на запълване.
В областта на обработката на материали, импулсните лазери първоначално са били преходен продукт на непрекъснатите лазери. Това е така, защото изходната мощност на непрекъснатите лазери не може да бъде много висока поради влиянието на фактори като носещата способност на основните компоненти и нивото на технологиите в ранния етап, а материалът не може да се нагрее до точката на топене. Горното постига целта на обработката. Ако се използват определени технически средства за концентриране на изходната енергия на лазера в един импулс, така че въпреки че общата мощност на лазера не се променя, моментната мощност в момента на импулса се увеличава значително, което отговаря на изискванията за обработка на материали. По-късно технологията на непрекъснатите лазери постепенно се развива и се установява, че импулсните лазери имат голямо предимство в точността на обработката. Това е така, защото топлинният ефект на импулсния лазер върху материалите е по-малък и колкото по-тясна е ширината на лазерния импулс, толкова по-малък е топлинният ефект и колкото по-гладък е ръбът на обработвания материал, съответната точност на обработка е по-висока.
Компоненти
2 основни изисквания към ултрабързите лазери: ултракъси импулси с висока стабилност и висока енергия на импулса. Обикновено ултракъсите импулси могат да се получат чрез технология за заключване на модовете, а високата енергия на импулса може да се получи чрез технология за усилване CPA. Основните компоненти, които се използват, включват осцилатори, разтягачи, усилватели и компресори. Сред тях, технологиите на осцилатора и усилвателя са най-сложните и са и основната технология на производителите на ултрабързи лазери.
Осцилатор
В осцилатора се получават ултрабързи лазерни импулси, използвайки техника за заключване на модовете.
Еластичност
Разтегателят разтяга фемто2-рите семенни импулси във времето с различни дължини на вълните.
Усилвател
За пълното захранване на този разтегнат импулс се използва чирпиран усилвател.
Компресор
Компресорът обединява усилените спектри на различни компоненти и ги възстановява до фемто2-та ширина, като по този начин формира фемто2-ти лазерни импулси с изключително висока моментна мощност.
Приложения
В сравнение с nano2nd и milli2nd лазерите, въпреки че общата мощност на ултрабързите лазери е по-ниска, тъй като те действат директно върху времевата скала на молекулярните вибрации на материала, те осъществяват „студена обработка“ в истинския смисъл на думата, така че точността на обработката е значително подобрена.
Поради различните характеристики, високомощните непрекъснати лазери, неултрабързите импулсни лазери и ултрабързите лазери имат големи разлики в областите на приложение надолу по веригата:
Високомощни непрекъснати лазери (и квазинепрекъснати лазери) се използват за рязане, синтероване, заваряване, повърхностно облицоване, пробиване, 3D печат върху метални материали.
Неултрабързите импулсни лазери се използват за маркиране на неметални материали, обработка на силициеви материали, прецизно гравиране на метални повърхности, почистване на метални повърхности, прецизно заваряване на метали, микрообработка на метали.
Ултрабързите лазери се използват за рязане и заваряване на прозрачни материали като стъкло, PET и сапфир, както и за твърди и крехки материали. прецизно маркиране, офталмологична хирургия, микроскопско пасивиране и ецване на материали.
От гледна точка на употребата, високомощните CW лазери и ултрабързите лазери почти нямат взаимозаменяемост. Те са като брадви и пинсети, а размерите им имат своите предимства и недостатъци. Приложенията на неултрабързите импулсни лазери донякъде се припокриват с непрекъснатите лазери и ултрабързите лазери. Според реалните резултати, при едно и също приложение, мощността им не е толкова добра, колкото на непрекъснатите лазери, а точността им не е толкова добра, колкото на ултрабързите лазери. По-важно е съотношението цена-качество.
Особено ултравиолетовият лазер nano2nd, въпреки че ширината на импулса му не достига нивото на pico2nd, но точността на обработка е значително подобрена в сравнение с други цветни nano2nd лазери, той е широко използван в обработката и производството на 3C продукти. В бъдеще, с намаляването на цената на ултрабързите лазери, той може да заеме пазара на nano2nd ултравиолетови лазери.
Ултрабързите лазери реализират студена обработка в реален смисъл и имат значителни предимства при прецизната обработка. С постепенното усъвършенстване на производствената технология на ултрабързите лазери, цената им постепенно намалява. В бъдеще се очаква те да бъдат широко използвани в медицинската биология, аерокосмическата индустрия, потребителската електроника, осветителните дисплеи, енергийната среда, прецизното машиностроене и други индустрии надолу по веригата.
Медицинска козметология
Ултрабързите лазери могат да се използват в медицинско оборудване за очна хирургия и козметични устройства. Femto2nd лазерът се използва в хирургията на миопия и е известен като „друга революция в рефрактивната хирургия“ след технологията на аберация на вълновия фронт. Оста на окото при пациенти с миопия е по-голяма от нормалната ос на окото, така че в състояние на отпускане на очната ябълка, фокусът на паралелните светлинни лъчи след пречупване от рефрактивната система на окото пада пред ретината. Femto2nd лазерната хирургия може да премахне излишния мускул в аксиално измерение и да възстанови аксиалното разстояние до нормално. Femto2nd лазерната хирургия има предимствата на висока точност, висока безопасност, висока стабилност, кратко време на операция и висок комфорт и се е превърнала в един от най-масовите методи за хирургия на миопия.
По отношение на красотата, ултрабързите лазери могат да се използват за премахване на пигмент и местни бенки, премахване на татуировки и подобряване на стареенето на кожата.
Потребителска електроника
Ултрабързите лазери са подходящи за обработка на твърди и крехки прозрачни материали, обработка на тънки филми, прецизно маркиране и др. в производствения процес на потребителска електроника. Закаленото стъкло за мобилни телефони и сапфирът са представителни твърди, крехки и прозрачни материали в суровините за потребителска електроника, особено сапфирът. Поради високата си твърдост и крехкост, ефективността и добивът на традиционните методи на обработка са много ниски; сапфирът сега се използва широко. Той се използва широко в смарт часовници, капаци за камери на мобилни телефони, капаци за модули за пръстови отпечатъци и др.; nano2nd ултравиолетовият лазер и ултрабързият лазер са основните технически средства за рязане на сапфир в момента, а ефектът на обработка на ултрабързия лазер е по-добър от този на ултравиолетовия nano2nd лазер. Освен това, методите за обработка, използвани от модулите за камери и модулите за пръстови отпечатъци, са главно nano2nd и pico2nd лазери. За рязане на гъвкави екрани на мобилни телефони (сгъваеми екрани) и съответните... 3D пробиване на стъкло в бъдеще, основната технология най-вероятно ще бъдат ултрабързите лазери.
Ултрабързите лазери имат важни приложения и в производството на панели. Ултрабързите лазери могат да се използват за рязане на OLED поляризатори, обелване и ремонт по време на производството на LCD/OLED дисплеи.
При OLED дисплеите, полимерните материали са особено чувствителни към термични влияния. Освен това, размерът и разстоянието между произвежданите в момента клетки са много малки, а и оставащият размер за обработка също е много малък. Традиционният процес на щанцоване, както преди, вече не е подходящ за днес. Производствените нужди на индустрията и сега има изисквания за приложение на екрани със специална форма и перфорирани екрани, които са извън възможностите на традиционните занаяти. По този начин се отразяват предимствата на ултрабързите лазери, особено pico2nd ултравиолетовите или дори femto2nd лазерите, които имат малка зона на термично въздействие и са по-подходящи за по-гъвкави приложения, като например обработка на криви.
Микро заваряване
При прозрачни твърди среди като стъкло, при разпространението на ултракъс импулсен лазер в средата ще възникнат различни явления, като нелинейно поглъщане, увреждане от топене, образуване на плазма, аблация и разпространение на влакна. Фигурата показва различни явления, които възникват при взаимодействието между ултракъс импулсен лазер и твърд материал при различни плътности на мощността и времеви мащаби.
Тъй като технологията за микрозаваряване с ултракъси импулси и лазер не изисква вмъкване на междинен слой, има висока ефективност, висока прецизност, няма макроскопичен термичен ефект и има относително идеални механични и оптични свойства след микрозаваряване, тя е много подходяща за микрозаваряване на прозрачни материали като стъкло. Например, изследователи успешно са заварявали крайни капачки към стандартни и микроструктурирани оптични влакна, използвайки импулси от 70 fs и 250 kHz.
Осветление на дисплея
Приложението на ултрабързи лазери в областта на осветлението на дисплеи се отнася главно до рязане и маркиране на LED пластини. Това е друг пример за ултрабързи лазери, подходящи за обработка на твърди и крехки материали. Ултрабързата лазерна обработка има висока плоскост на напречното сечение и значително намалено отчупване на ръбовете. Ефективността и точността са значително подобрени.
Фотоволтаична енергия
Ултрабързите лазери имат широко приложение в производството на фотоволтаични клетки. Например, при производството на тънкослойни батерии CIGS, ултрабързите лазери могат да заменят оригиналния механичен процес на нарязване и значително да подобрят качеството на нарязване, особено за нарязващи връзки P2 и P3, като по този начин почти не се постигат отчупвания, пукнатини и остатъчно напрежение.
космически
За да се подобри производителността и експлоатационният живот на лопатките на турбините, а след това и производителността на двигателя, е необходимо да се внедри технология за охлаждане с въздушен филм, което поставя изключително високи изисквания към технологията за обработка на отвори във въздушния филм. През 2018 г. Институтът по оптика и механика в Сиан разработи най-високата енергия на единичен импулс в Китай. 26-ватовият индустриален фемто2-ин влакнест лазер и разработиха серия от ултрабързи лазерни производствени съоръжения, постигнаха пробив в „студената обработка“ на отвори във въздушен филм в лопатките на турбините на авиационни двигатели, запълвайки вътрешната празнина. Този метод на обработка е по-усъвършенстван от EDM. Точността на метода е по-висока, а процентът на добив е значително подобрен.
Ултрабързите лазери могат да се прилагат и за прецизна обработка на композитни материали, подсилени с влакна, а подобряването на точността на обработка ще спомогне за разширяване на приложението на композитни материали като въглеродни влакна в аерокосмическата индустрия и други високотехнологични области.
Изследователско поле
Технологията за 2-фотонна полимеризация (2PP) е „нанооптична“ 3D метод на печат, подобен на технологията за бързо прототипиране чрез фотополимеризиране, а футуристът Кристофър Барнат вярва, че тази технология може да се превърне в масова форма на 3D печат в бъдеще. Принципът на технологията за 2-фотонна полимеризация е селективно втвърдяване на фоточувствителна смола чрез използване на „фемто2-и импулсен лазер“. Звучи като фотовтвърдяване при бързо прототипиране, разликата е, че минималната дебелина на слоя и разделителната способност по оста XY, които технологията за 2-фотонна полимеризация може да постигне, са между 100 nm и 200 nm. С други думи, 2PP 3D Технологията за печат е стотици пъти по-точна от традиционната технология за фотополимеризиране, а отпечатаните неща са по-малки от бактериите.
В момента цената на ултрабързите лазери е все още сравнително висока. Като пионер в индустрията, STYLECNC вече произвежда ултрабързо оборудване за лазерна обработка и е постигнала добра пазарна обратна връзка. Пуснати са на пазара оборудване за прецизно лазерно рязане за OLED модули, базирано на ултрабърза лазерна технология, ултрабързо (пикосекундно/фемтосекундно) оборудване за лазерно маркиране, оборудване за лазерна обработка на скосяване на стъкло за инфрачервени дисплеи pico2nd и инфрачервени стъклени пластини pico2nd, автоматична машина за невидимо рязане на LED кубчета и полупроводникови пластини. машина за лазерно рязане, оборудване за рязане на стъклени капаци за модули за разпознаване на пръстови отпечатъци, линии за масово производство на гъвкави дисплеи и серия от ултрабързи лазерни продукти.
Плюсове минуси
Предимства
Ултрабързият лазер е едно от важните направления за развитие в лазерната област. Като нововъзникваща технология, той има значителни предимства в прецизната микрообработка. Ултракъсият импулс, генериран от ултрабързия лазер, взаимодейства с материала за много кратко време и не нагрява околните материали, така че ултрабързата лазерна обработка се нарича още студена обработка. Това е така, защото когато ширината на лазерния импулс достигне ниво pico2nd или femto2nd, влиянието върху молекулярното топлинно движение може да бъде до голяма степен избегнато, което води до по-малко топлинно въздействие.
Например, когато режем консервирани яйца с тъп кухненски нож, често ги нарязваме на фини парченца. Ако изберете метод на рязане с особено остър ръб на ножа, който бързо отрязва бъркотията, консервираните яйца ще бъдат нарязани равномерно и красиво. Това е предимството на супер бързината.
Недостатъци
Висококачествените производствени индустрии, като например интегралните схеми и панелите, имат изключително високи изисквания към оборудването за лазерна обработка и съществува риск технологичните пробиви да не отговорят на очакванията.
Цената на ултрабързите лазери е висока и преминаването към нов доставчик на лазери крие риск да не се постигне очакваното разширяване на пазара както за производителите на лазерно оборудване, така и за най-надолу по веригата потребители.
