Лазер вважається одним із найбільших винаходів у 20 столітті. З закінченням трьох промислових оборотів лазер стане ключовим для проведення четвертої промислової революції. Поява лазера значно сприяло розвитку галузі. Лазер став найдосконалішим і широко використовуваним засобом в обробці завдяки таким його перевагам, як висока потужність, легке фокусування, висока яскравість і хороша спрямованість. Лазерна обробка має переваги високої точності, високої швидкості та низької вартості. Це можна автоматично керувати за допомогою комп’ютерного програмування. Він може обробляти структуру складною формою. Оскільки це безконтактна обробка, вона не пошкодить матеріал і є надійною та надійною.
Класифікація та характеристики лазерної обробки
За механізмом взаємодії лазера та речовини лазерну обробку можна розділити на дві категорії: лазерна термічна обробка та нетермічна обробка. Типи лазера, що застосовується в термічній обробці та нетермічній обробці, різні. Довгоімпульсний або безперервний лазер зазвичай використовується в термічній обробці, а ультракороткий імпульсний лазер, такий як пікосекунда і фемтосекунда, зазвичай використовується в нетермічній обробці.
Лазерна термічна обробка використовує тепловий ефект, що утворюється в процесі лазерного опромінення матеріалів. Молекулярна система опромінених матеріалів потребує постійного отримання енергії від лазерного опромінення та перетворення її у власну внутрішню енергію. Температура опроміненої області різко підвищується для досягнення температури плавлення і температури кипіння, плавлення та видалення та досягнення мети обробки. Оскільки потрібно тривалий час, щоб енергія лазера перетворилася на внутрішню енергію молекулярної системи, в термічній обробці часто використовується лазер довгого імпульсу. Цей спосіб обробки простий і прямий і широко застосовується в промисловому виробництві, наприклад, лазерному різанні, виробництві лазерних добавок тощо. Однак через неминучу термічну дифузію при обробці точність і шорсткість лазерної термічної обробки обмежені.
Нетермічна обробка полягає у використанні нелінійних ефектів (таких як нелінійна іонізація, поверхневе розсіювання тощо), спричинених порушенням електронної системи матеріалів, через перехід та іонізацію фотонів поглинання електронів, фізичні та хімічні властивості Матеріали спонукають до змін, що призводить до створення деяких нових ефектів (таких як двофотонна полімеризація, лазерна самозбірка тощо), використовуючи ці нові ефекти для досягнення підвищення мети точності обробки та оптимізації. Оскільки обмін енергією між електронною системою та лазером може бути завершений за мить, для нетермічної обробки зазвичай використовується ультракороткий імпульсний лазер. Цей метод відрізняється високою точністю і різними методами обробки, що є одним із точок дослідження в галузі лазерної обробки.
Переваги та недоліки традиційної фемтосекундної лазерної обробки
Ультрависока пікова потужність та ультракоротка тривалість імпульсу - дві основні переваги фемтосекундного лазера. Ультрависока пікова потужність достатня, щоб викликати різноманітні нелінійні ефекти, що збагачує методи лазерної обробки. Ультрашвидкісні часові характеристики також роблять процес взаємодії між фемтосекундним лазером та матеріалами дуже коротким. Енергію світла, поглинуту зоною лазерного опромінення, навіть не можна передавати в інші ділянки, щоб забезпечити точну депозицію енергії лазера в діапазоні опромінення та реалізацію надтонкої обробки.
В даний час фемтосекундний лазер широко застосовується в галузі мікро- і нанопереробки, головним чином включаючи лазерне прямого запису та лазерну маску. Однак через межу дифракції системи обробки неможливо зменшити площу лазерного опромінення без обмежень, що обмежує подальше поліпшення точності обробки. У той же час, завдяки різним нелінійним характеристикам різних матеріалів, фемтосекундна лазерна обробка має сильну залежність від матеріалів. Один і той же метод обробки часто показує різні ефекти обробки для різних матеріалів.
Переваги ультрафіолетової фемтосекундної лазерної обробки
З розвитком сучасної промисловості вимога точності обробки зростає, а одним з основних факторів, що впливають на точність обробки лазером, є межа дифракції системи обробки. Межа дифракції - це фізичний параметр, що описує точність зображення або точності обробки оптичної системи. Чим менша межа дифракції, тим вище точність обробки. Як правило, межа дифракції прямо пропорційна довжині хвилі падаючого світла, тому зменшення довжини хвилі лазера стає найбільш прямим та ефективним засобом для поліпшення межі дифракції. Наприклад, широко застосовувана ультрафіолетовою технологією літографії є підвищення точності обробки за рахунок зменшення довжини хвилі лазера.
УФ-лазер відноситься до лазера, довжина хвилі якого менше 380 нм. Порівняно з довжиною хвилі, яку зазвичай використовують фемтосекундний лазер (головним чином у смузі видимого світла, 380 нм-760нм), точність обробки УФ-фемтосекундного лазера вище. У той же час, завдяки короткій довжині хвилі ультрафіолетового фемтосекундного лазера та великій енергії одиничного фотона фотони можуть безпосередньо відрізати зв’язуючі зв’язки молекул або атомів, що, по суті, є фотохімічною реакцією, в основному без явища плавлення, таким чином обмеження впливу теплового ефекту. З іншого боку, УФ-смуга є чутливою смугою багатьох полімерів, таких як фоторезисти. Ці полімери вироблять ефект двофотонної полімеризації при опроміненні ультрафіолетовим фемтосекундним лазером, завдяки чому текучий колоїд полімеризується в тверде тіло з високою механічною міцністю. Після обробки фоторезист вимиється, і можна отримати бажану структуру. За допомогою цього принципу можна здійснити надзвичайно тонку обробку структури 3 D.
Характеристики та переваги фемтосекундної обробки в векторних і вихрових полях
Традиційна фемтосекундна лазерна обробка в основному зосереджена на енергетичних характеристиках лазера. Нелінійний ефект матеріалів індукується надвисокою енергією фемтосекундного лазерного поля, щоб досягти мети обробки. У процесі взаємодії світла з речовиною відбувається не тільки поглинання енергії, а й обмін імпульсом, а це означає, що новий лазерний режим може дати повною мірою свої переваги в області фемтосекундної обробки.
Поле вектор і вихрове поле - це два найбільш типових нових лазерних режиму. Їх просторові топологічні характеристики поляризації та фази змушують поле мати деякі особливі фізичні властивості. Наприклад, векторне поле може сходитися до вогнища за межею дифракційної межі, яка менша за розміром, тому точність обробки вище. З іншого боку, імпульс кута фотона, що переноситься самим полем, може обміняти імпульс із матерією. Наприклад, вихорне світлове поле зі спіральною фазовою структурою несе імпульс кутового імпульсу фотона, який приводить частинки до обертання навколо нерухомої осі; ліворуч або праворуч кругополяризоване світло має світловий кутовий імпульс фотона, який може спонукати частинки до обертання; векторне світлове поле, стан поляризації якого змінюється з просторовим положенням, може показати взаємодію між імпульсом кута. Таким же чином, імпульсні характеристики векторних і вихрових полів можуть також використовуватися при фемтосекундній лазерній обробці, наприклад, використання вихрових полів для індукції хіральних структур, використання векторних полів для індукції складних зразків тощо.
У порівнянні з традиційною фемтосекундною лазерною обробкою, векторна та вихрова польова фемтосекундна лазерна обробка, що виробляється потужною ультрафіолетовою лазерною системою з керованими просторово-часовими характеристиками, робить структуру обробки різноманітною та складною. Розробивши фазовий і поляризаційний розподіл світлового поля, ми можемо отримати різноманітні шаблони поверхні і навіть складну тривимірну топологію. Використовуючи фемтосекундну технологію формування лазерного імпульсу в поєднанні з технологією модуляції простору-часу та технологією фокусування простору та часу, щоб модулювати надшвидкий лазерний імпульс у часовій області та частотній області, а також реалізувати тривимірну мікронано-обробку та практичне застосування в різних матеріалах . Очікується, що ці технології відіграють важливу роль у новій інтегрованій оптиці та мікронанооптиці.
Переваги та потенційні можливості застосування ультрафіолетового, векторного та вихрового фемтосекундних світлових полів
При постійному розвитку галузі традиційна технологія фемтосекундної лазерної обробки не може задовольнити зростаючий промисловий попит, тому її необхідно розвивати та оптимізувати. Ультразвукова фемтосекундна технологія лазерної обробки є ефективним способом підвищення точності обробки та має велике значення застосування у промисловому виробництві. Технологія фемтосекундної лазерної обробки векторного та вихрового поля змінила традиційний режим єдиної обробки, зробивши лазерну обробку більш гнучкою та різноманітною. Крім того, технологія лазерної обробки ультрафіолетового вектора та вихрової фемтосекунди - це також практика та перевірка теорії взаємодії світла та речовини, що є корисним для розкриття більш глибокого фізичного механізму та має позитивне наукове значення.