Визначення
Надшвидкий лазер — це тип ультраінтенсивного ультракороткого імпульсного лазера з тривалістю імпульсу менше або в межах піко2-го рівня (10-12 с), який визначається на основі форми хвилі вихідної енергії. Це визначення пов’язане з «надшвидкими явищами». Надшвидке явище відноситься до явища, яке відбувається у фізичному, хімічному або біологічному процесі, який швидко змінюється в мікроскопічній системі матерії. В атомно-молекулярній системі часовий масштаб руху атомів і молекул становить від пікосекунд до фемтосекунд. Наприклад, період обертання молекули дорівнює пікосекундам, а період коливань — фемтосекундам. Коли ширина лазерного імпульсу досягає рівня піко2 або фемтосекунд, це може значною мірою уникнути впливу на загальний тепловий рух молекул (тепловий рух молекул є мікроскопічною сутністю температури матерії), і матеріал генерується на шкалі часу молекулярної вібрації. Впливайте так, що при досягненні мети обробки термічний ефект значно зменшується.
типи
Існує багато методів класифікації лазерів, серед яких є 4 найбільш часто використовувані методи класифікації, включаючи класифікацію за робочою речовиною, класифікацію за формою сигналу вихідної енергії (робочий режим), класифікацію за довжиною хвилі випромінювання (колір) і класифікацію за потужністю.
Серед них, відповідно до форми вихідної енергії, лазери можна розділити на безперервні лазери, імпульсні лазери та квазібезперервні лазери:
Безперервний лазер
Це лазер, який безперервно видає стабільні енергетичні хвилі протягом робочого часу. Він характеризується високою потужністю і може обробляти матеріали з великим об'ємом і високою температурою плавлення, такі як металеві пластини.
Імпульсний лазер
Він видає енергію у вигляді імпульсів. Відповідно до ширини імпульсу його можна далі розділити на мілі2-ні лазери, мікро-2-і лазери, нано-2-і пристрої відключення, піко-2-і лазери, фемто-2-і лазери та лазери ато-2-го; наприклад, якщо імпульсний лазер. Ширина імпульсу вихідного лазера становить від 1 до 1000 нс, що ми називаємо нано2-ми лазерами тощо. Ми називаємо pico2nd лазери, femto2nd лазери, atto2nd лазери та надшвидкісні лазери. Потужність імпульсного лазера набагато нижча, ніж у безперервного лазера, але точність обробки вища, ніж у безперервного лазера, і загалом, чим вужча ширина імпульсу, тим вища точність обробки.
Квазі-CW лазер
Він може неодноразово випромінювати відносно високоенергетичний лазер протягом певного періоду часу, і теоретично це також імпульсний лазер.
Форми хвилі вихідної енергії 3 вищевказаних лазерів також можна описати за допомогою параметра «швидкість». Для лазера робочий цикл можна інтерпретувати як відношення часу виходу лазерної енергії до загального часу в межах циклу імпульсу.
Робочий цикл лазера CW (=1) > цикл роботи квазі-CW лазера > робочий цикл імпульсного лазера. Як правило, чим вужча ширина імпульсу імпульсного лазера, тим менший робочий цикл.
У сфері обробки матеріалів імпульсні лазери спочатку були перехідним продуктом безперервних лазерів. Це пояснюється тим, що вихідна потужність безперервних лазерів не може бути дуже високою через вплив таких факторів, як несуча здатність компонентів сердечника та рівень технології на ранній стадії, а також матеріал не можна нагріти до точки плавлення. Вищезазначене досягає мети обробки. Якщо використовуються певні технічні засоби для концентрації вихідної енергії лазера на одному імпульсі, так що хоча загальна потужність лазера не змінюється, миттєва потужність у момент імпульсу значно збільшується, що задовольняє вимогам обробка матеріалу. Пізніше безперервна лазерна технологія поступово розвивалася, і було виявлено, що імпульсний лазер має велику перевагу в точності обробки. Це пояснюється тим, що тепловий вплив імпульсного лазера на матеріали менший, і чим вужча ширина лазерного імпульсу, тим менший тепловий ефект, і чим гладкіший край оброблюваного матеріалу, відповідна точність обробки вища.
компоненти
2 основні вимоги до надшвидких лазерів: висока стабільність ультракороткого імпульсу та висока енергія імпульсу. Як правило, ультракороткі імпульси можна отримати за допомогою технології синхронізації мод, а високу енергію імпульсу можна отримати за допомогою технології посилення CPA. Основні компоненти включають осцилятори, розтяжки, підсилювачі та компресори. Серед них технологія генератора та підсилювача є найскладнішою, і вони також є основною технологією компанії з виробництва надшвидких лазерів.
Генератор
У осциляторі надшвидкісні лазерні імпульси отримують за допомогою технології синхронізації мод.
Носилки
Розтяжник розтягує фемто2-і вихідні імпульси в часі на різні довжини хвилі.
підсилювач
Для повного живлення цього розтягнутого імпульсу використовується підсилювач з чирпом.
Компресор
Компресор об’єднує посилені спектри різних компонентів і відновлює їх до фемто2-ї ширини, таким чином формуючи фемто2-і лазерні імпульси з надзвичайно високою миттєвою потужністю.
додатків
Порівняно з лазерами nano2nd і milli2nd, хоча загальна потужність надшвидких лазерів нижча, оскільки вони безпосередньо впливають на часову шкалу молекулярних коливань матеріалу, вони реалізують «холодну обробку» в справжньому сенсі, тому точність обробки значно покращена.
Через різні характеристики високопотужні безперервні лазери, ненадшвидкісні імпульсні лазери та надшвидкісні лазери мають значні відмінності в галузях застосування:
Високопотужні лазери безперервної дії (і квазібезперервні лазери) використовуються для різання, спікання, зварювання, облицювання поверхні, свердління, 3D друк металевих матеріалів.
Ненадшвидкісні імпульсні лазери використовуються для маркування неметалевих матеріалів, обробки кремнієвих матеріалів, точне гравірування металевих поверхонь, очищення металевих поверхонь, точне зварювання металів, мікромеханічна обробка металів.
Надшвидкісні лазери використовуються для різання та зварювання прозорих матеріалів, таких як скло, ПЕТ і сапфір, а також твердих і крихких матеріалів, точне маркування, офтальмохірургія, мікроскопічна пасивація та травлення матеріалів.
З точки зору використання потужні неперервні лазери та надшвидкісні лазери майже не мають взаємного заміщення. Вони як сокири та пінцети, і їхні розміри мають свої переваги та недоліки. Застосування ненадшвидких імпульсних лазерів у подальшому збігається з лазерами безперервної дії та надшвидкими лазерами. Судячи з фактичних результатів, за тієї самої програми його потужність не така хороша, як у безперервних лазерів, а його точність не така добра, як у надшвидких лазерів. Більш помітною є ефективність витрат.
Особливо ультрафіолетовий лазер nano2nd, хоча його ширина імпульсу не досягає рівня pico2nd, але точність обробки значно покращена порівняно з іншими кольоровими лазерами nano2nd, він широко використовується в обробці та виробництві продуктів 3C. У майбутньому, у міру зниження вартості надшвидких лазерів, він може зайняти нано2-й ринок ультрафіолету.
Надшвидкісні лазери реалізують холодну обробку в реальному сенсі та мають значні переваги в точній обробці. Оскільки технологія виробництва надшвидких лазерів поступово дозріває, вартість поступово знижується. Очікується, що в майбутньому він буде широко використовуватися в медичній біології, аерокосмічній промисловості, побутовій електроніці, освітлювальних дисплеях, енергетичному середовищі, точному машинобудуванні та інших галузях промисловості.
Медична косметологія
Надшвидкісні лазери можна використовувати в медичному обладнанні для хірургії очей і косметичних пристроях. Лазер Femto2nd використовується в хірургії короткозорості та відомий як «ще одна революція в рефракційній хірургії» після технології аберації хвильового фронту. Вісь ока у короткозорих пацієнтів більша за вісь нормального ока, тому в стані розслаблення очного яблука фокус паралельних світлових променів після заломлення рефракційною системою ока потрапляє перед сітківкою. Лазерна хірургія Femto2nd може видалити зайві м’язи в осьовому розмірі та відновити осьову відстань до нормального. Лазерна хірургія Femto2nd має такі переваги, як висока точність, висока безпека, висока стабільність, короткий час операції та високий комфорт, і стала одним із найбільш поширених методів хірургії короткозорості.
З точки зору краси, надшвидкісні лазери можна використовувати для видалення пігменту та рідних родимок, видалення татуювання та покращення старіння шкіри.
Побутова електроніка
Надшвидкісні лазери підходять для обробки твердих і крихких прозорих матеріалів, обробки тонких плівок, точного маркування тощо в процесі виробництва побутової електроніки. Загартоване скло для мобільних телефонів і сапфір є типовими твердими, крихкими та прозорими матеріалами для сировини споживчої електроніки, особливо сапфіру, завдяки його високій твердості та високій крихкості, ефективність і коефіцієнт виходу традиційних методів обробки дуже низькі; сапфір зараз широко використовується Він широко використовується в смарт-годинниках, кришках камер мобільних телефонів, кришках модулів відбитків пальців тощо; Ультрафіолетовий лазер nano2nd і надшвидкий лазер є основними технічними засобами для різання сапфіра в даний час, і ефект обробки надшвидкого лазера кращий, ніж ультрафіолетовий nano2nd лазер. Крім того, методи обробки, які використовуються модулями камер і модулями відбитків пальців, в основному є лазерами nano2nd і pico2nd. Для вирізання гнучких екранів мобільних телефонів (складних екранів) і відповідного 3D свердління скла в майбутньому, основною технологією, швидше за все, будуть надшвидкісні лазери.
Надшвидкісні лазери також мають важливе застосування у виробництві панелей. Надшвидкісні лазери можна використовувати для різання поляризаторів OLED, очищення та ремонту під час виробництва LCD/OLED.
Для OLED полімерні матеріали особливо чутливі до термічних впливів. Крім того, розмір і відстань між осередками, створеними на даний момент, дуже малі, а розмір, що залишився для обробки, також дуже малий. Традиційний процес висікання, як раніше, сьогодні вже не підходить. Виробничі потреби промисловості, і зараз існують вимоги до застосування для екранів спеціальної форми та перфорованих екранів, які виходять за рамки можливостей традиційних ремесел. Таким чином відображаються переваги надшвидких лазерів, особливо ультрафіолетових лазерів pico2nd або навіть femto2nd, які мають невелику зону теплового впливу та більше підходять для більш гнучких застосувань, таких як обробка кривих.
Мікрозварювання
Для прозорих твердих середовищ, таких як скло, різні явища, такі як нелінійне поглинання, пошкодження плавленням, утворення плазми, абляція та поширення волокон, відбуватимуться, коли в середовищі поширюватиметься ультракороткий імпульс лазера. На малюнку показано різні явища, які відбуваються під час взаємодії між лазером ультракоротких імпульсів і твердим матеріалом за різних щільностей потужності та масштабів часу.
Оскільки технологія ультракороткоімпульсного лазерного мікрозварювання не потребує введення проміжного шару, має високу ефективність, високу точність, відсутність макроскопічного теплового ефекту та має відносно ідеальні механічні та оптичні властивості після обробки мікрозварюванням, вона дуже підходить для мікрозварювання прозорих матеріалів, таких як скло. Наприклад, дослідники успішно приварили торцеві кришки до стандартних і мікроструктурованих оптичних волокон за допомогою імпульсів 70 фс, 250 кГц.
Освітлення дисплея
Застосування надшвидких лазерів у сфері освітлення дисплеїв в основному стосується скрайбування та різання світлодіодних пластин. Це ще один приклад надшвидких лазерів, придатних для обробки твердих і крихких матеріалів. Надшвидка лазерна обробка має високу площинність поперечного перерізу та значно зменшує відколи країв. Ефективність і точність значно покращені.
Фотоелектрична енергія
Надшвидкісні лазери мають широке застосування у виробництві фотоелектричних елементів. Наприклад, у виробництві тонкоплівкових батарей CIGS надшвидкісні лазери можуть замінити оригінальний механічний процес скрайбування та значно підвищити якість скрайбування, особливо для скрайбуючих ланок P2 і P3, які можуть досягти майже повної відсутності відколів, тріщин і залишкової напруги. .
Авіаційно-космічний
Щоб покращити продуктивність і термін служби лопаток турбіни, а потім покращити продуктивність двигуна, необхідно прийняти технологію охолодження повітряною плівкою, яка висуває надзвичайно високі вимоги до технології обробки отворів повітряної плівки. У 2018 році Сіаньський інститут оптики та механіки розробив найвищу енергію одного імпульсу в Китаї. 26-ватний волоконний лазер промислового класу femto2nd і розроблена серія надшвидкого лазерного екстремального виробничого обладнання досягли прориву в «холодній обробці» отворів повітряної плівки в лопатях турбіни авіаційних двигунів, заповнивши внутрішній проміжок. Цей метод обробки більш досконалий, ніж EDM. Точність методу вища, а продуктивність значно покращена.
Надшвидкісні лазери також можна застосовувати для точної обробки армованих волокнами композитних матеріалів, а підвищення точності обробки допоможе розширити застосування композитних матеріалів, таких як вуглецеве волокно, в аерокосмічній галузі та інших галузях високого класу.
Дослідницьке поле
Технологія 2-фотонної полімеризації (2PP) є «нанооптичною» 3D метод друку, схожий на технологію швидкого прототипування за допомогою світлової полімеризації, і футуролог Крістофер Барнатт вважає, що ця технологія може стати основною формою 3D друк у майбутньому. Принцип технології 2-фотонної полімеризації полягає у вибірковому полімеризації світлочутливої смоли за допомогою «фемто2-го імпульсного лазера». Звучить як швидке прототипування з фотозатвердінням, різниця в тому, що мінімальна товщина шару та роздільна здатність по осі XY, яких може досягти технологія 2-фотонної полімеризації, становлять від 100 нм до 200 нм. Іншими словами, 2PP 3D Технологія друку в сотні разів точніша, ніж традиційна технологія світлового затвердіння, а надруковані речі менші за бактерії.
В даний час ціна надшвидких лазерів все ще відносно висока. Як піонер у галузі, STYLECNC вже виробляє обладнання для надшвидкої лазерної обробки та має хороші відгуки на ринку. Обладнання для лазерного точного різання OLED-модулів на основі надшвидкої лазерної технології, обладнання для надшвидкого (пікосекундного/фемтосекундного) лазерного маркування, обладнання для лазерної обробки скла для зняття фаски для екранів інфрачервоних дисплеїв pico2nd, а також обладнання для лазерного різання інфрачервоних скляних пластин pico2nd, автоматична світлодіодна невидима машина для нарізання кубиків, напівпровідникова пластина Машина лазерного різання, обладнання для різання скляної кришки для модулів ідентифікації відбитків пальців, ліній масового виробництва гнучких дисплеїв і серії надшвидких лазерних продуктів.
Плюси мінуси
Плюси
Надшвидкий лазер є одним з важливих напрямків розвитку лазерної галузі. Будучи новою технологією, вона має значні переваги в прецизійній мікрообробці. Ультракороткий імпульс, створюваний надшвидким лазером, взаємодіє з матеріалом протягом дуже короткого часу та не нагріває навколишні матеріали, тому надшвидку лазерну обробку також називають холодною обробкою. Це пояснюється тим, що коли ширина лазерного імпульсу досягає піко-2-го або фемто-2-го рівня, впливу на тепловий рух молекули можна значною мірою уникнути, що призводить до меншого теплового впливу.
Наприклад, коли ми ріжемо консервовані яйця тупим кухонним ножем, ми часто нарізаємо консервовані яйця на тонкі шматочки. Якщо ви виберете метод різання з особливо гострим лезом ножа, який швидко розрізає безлад, консервовані яйця будуть нарізані рівномірно та красиво. Це перевага надшвидкості.
мінуси
Виробничі галузі високого класу, такі як інтегральні схеми та панелі, мають надзвичайно високі вимоги до обладнання для лазерної обробки, і існує ризик того, що технологічні прориви не виправдають очікувань.
Ціна на надшвидкісні лазери висока, і перехід до нового постачальника лазерів несе ризик нездатності розширити ринок, як очікувалося, як для виробників лазерного обладнання, так і для більшості подальших користувачів.
