Лазер вважається одним з найбільших винаходів 20 століття. Після завершення трьох промислових революцій лазер стане ключем до четвертої промислової революції. Поява лазера значною мірою сприяла розвитку промисловості. Лазер став найдосконалішим і широко використовуваним засобом обробки завдяки таким перевагам, як висока потужність, легке фокусування, висока яскравість і хороша спрямованість. Лазерна обробка має такі переваги, як висока точність, висока швидкість і низька вартість. Ним можна автоматично керувати за допомогою комп’ютерного програмування. Він може обробляти конструкції складної форми. Оскільки це без{8}}контактна обробка, вона не пошкодить матеріал і є безпечною та надійною.
Класифікація та характеристика лазерної обробки
Відповідно до механізму взаємодії між лазером і речовиною лазерну обробку можна розділити на дві категорії: лазерну термічну обробку та не-теплову обробку. Типи лазерів, які використовуються для термічної та не-термічної обробки, відрізняються. Довго-імпульсний лазер або безперервний лазер зазвичай використовується для термічної обробки, а ультракороткоімпульсний лазер, такий як пікосекундний і фемтосекундний, зазвичай використовується для не-термічної обробки.
Надшвидкісна гілка цього сімейства пояснюється далі в нашій статтінадшвидка лазерна технологія обробки.
Лазерна термічна обробка використовує тепловий ефект, який виникає в процесі лазерного опромінення матеріалів. Молекулярна система опромінених матеріалів потребує постійного отримання енергії від лазерного випромінювання та перетворення її у власну внутрішню енергію. Температура опроміненої області різко підвищується для досягнення точки плавлення та кипіння матеріалів, плавлення та видалення та досягнення мети обробки. Оскільки для перетворення енергії лазера у внутрішню енергію молекулярної системи потрібно багато часу, довгоімпульсний лазер часто використовується в термічній обробці. Цей метод обробки простий і прямий і широко використовується в промисловому виробництві, такому як лазерне різання, лазерне адитивне виробництво тощо. Однак через неминучу теплову дифузію під час обробки точність і шорсткість лазерної термічної обробки обмежені.
Не-термічна 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, зміна фізичних і хімічних властивостей матеріалів, що призводить до створення деяких нових ефектів (таких як дво-фотонна полімеризація, лазер само-складання тощо), використовуючи ці нові ефекти для досягнення підвищення точності та оптимізації обробки. Оскільки обмін енергією між електронною системою та лазером може завершитися миттєво, для не-термічної обробки зазвичай використовується ультракороткий імпульсний лазер. Цей метод має високу точність і різноманітні методи обробки, що є однією з гарячих точок досліджень у галузі лазерної обробки.
Переваги та недоліки традиційної фемтосекундної лазерної обробки
Над-висока пікова потужність і надкоротка тривалість імпульсу є двома основними перевагами фемтосекундного лазера. Над-високої пікової потужності достатньо, щоб викликати різноманітні нелінійні ефекти, що збагачує методи лазерної обробки. Над-часові характеристики також роблять процес взаємодії між фемтосекундним лазером і матеріалами дуже коротким. Світлова енергія, поглинена зоною лазерного опромінення, не може навіть передаватися в інші області, щоб гарантувати, що лазерна енергія може бути точно розміщена в діапазоні опромінення та реалізувати ультра-обробку.
Вивчіть на один крок менше фемтосекундПринцип роботи ататосекундного імпульсного лазера.
В даний час фемтосекундний лазер широко використовується в області мікро- і нанообробки, в основному включаючи лазерний прямий запис і лазерну маску. Однак через межу дифракції системи обробки неможливо без обмежень зменшити площу лазерного опромінення, що обмежує подальше підвищення точності обробки. У той же час, через різні нелінійні характеристики різних матеріалів, фемтосекундна лазерна обробка сильно залежить від матеріалів. Один і той самий метод обробки часто показує різний ефект обробки для різних матеріалів.
Переваги обробки ультрафіолетовим фемтосекундним лазером
З розвитком сучасної промисловості вимоги до точності обробки зростають, і одним із основних факторів, що впливають на точність лазерної обробки, є межа дифракції системи обробки. Межа дифракції — це фізичний параметр, що описує точність зображення або обробки оптичної системи. Чим менша межа дифракції, тим вища точність обробки. Як правило, межа дифракції прямо пропорційна довжині хвилі падаючого світла, тому зменшення довжини хвилі лазера стає найбільш прямим і ефективним засобом покращення межі дифракції. Наприклад, технологія ультрафіолетової літографії, яка широко використовується в сучасній промисловості, призначена для підвищення точності обробки шляхом зменшення довжини хвилі лазера.
УФ-лазер відноситься до лазера, довжина хвилі якого менше 380 нм. Порівняно з довжиною хвилі, яка зазвичай використовується фемтосекундним лазером (переважно у діапазоні видимого світла, 380 нм-760 нм), точність обробки УФ-фемтосекундного лазера вища. У той же час, завдяки короткій довжині хвилі ультрафіолетового фемтосекундного лазера та великій енергії одного фотона, фотони можуть безпосередньо розривати зв’язувальні зв’язки молекул або атомів, що, по суті, є фотохімічною реакцією, в основному без явища плавлення, таким чином обмежуючи вплив теплового ефекту. З іншого боку, УФ-смуга є чутливою смугою багатьох полімерів, таких як фоторезисти. Ці полімери вироблятимуть ефект двофотонної полімеризації під опроміненням ультрафіолетового фемтосекундного лазера, який змушує поточний колоїд полімеризуватися в тверду речовину з високою механічною міцністю. Після обробки фоторезист змивається, і можна отримати бажану структуру. Використовуючи цей принцип, можна виконувати надточну 3D-обробку структури.
Для практичних наслідків вибору одного над іншим порівняйтеРізниця між ультрафіолетовим та інфрачервоним лазером.
Характеристики та переваги фемтосекундної обробки у векторних і вихрових полях
Традиційна фемтосекундна лазерна обробка в основному зосереджена на енергетичних характеристиках лазера. Нелінійний ефект матеріалів викликається над-високою-енергією фемтосекундного лазерного поля, щоб досягти мети обробки. У процесі взаємодії між світлом і речовиною відбувається не тільки поглинання енергії, але й обмін імпульсом, а це означає, що новий лазерний режим може повністю реалізувати свої переваги в області фемтосекундної обробки.
Векторне поле та вихрове поле є двома найбільш типовими новими лазерними модами. Їхні просторові топологічні характеристики поляризації та фази надають полю деякі спеціальні фізичні властивості. Наприклад, векторне поле може сходитися до фокальної плями за межею дифракції, яка менша за розміром, тому точність обробки вище. З іншого боку, кутовий момент фотона, який переноситься самим полем, може обмінюватися імпульсом з речовиною. Наприклад, вихрове світлове поле зі спіральною фазовою структурою несе орбітальний кутовий момент фотона, який змушує частинки обертатися навколо фіксованої осі; ліво-чи право-світло з круговою поляризацією несе кутовий момент обертання фотона, який може спонукати частинки до обертання; векторне світлове поле, стан поляризації якого змінюється з просторовим положенням, може показати взаємодію між кутовим моментом. Таким же чином, імпульсні характеристики векторних і вихрових полів також можна використовувати в фемтосекундній лазерній обробці, наприклад, використання вихрових полів для індукції хіральних структур, використання векторних полів для індукції складних візерунків і так далі.
Порівняно з традиційною фемтосекундною лазерною обробкою, фемтосекундна лазерна обробка з векторним і вихровим полями, створена високо-потужною ультрафіолетовою лазерною системою з контрольованими просторово-часовими характеристиками, робить структуру обробки різноманітною та складною. Спроектувавши розподіл фази та поляризації світлового поля, ми можемо отримати різноманітні візерунки поверхні та навіть складну три{3}}вимірну топологію. Використання фемтосекундної технології формування лазерного імпульсу в поєднанні з технологією просторово-часової модуляції світла та технологією просторово-часового фокусування для модуляції надшвидкого лазерного імпульсу в часовій області та частотній області та реалізації три{7}}вимірної мікро-нанообробки та практичного застосування в різних матеріалах. Очікується, що ці технології відіграватимуть важливу роль у новій інтегрованій оптиці та мікронано{10}}оптиці.
Переваги та потенційні застосування ультрафіолетових, векторних і вихрових фемтосекундних світлових полів
З безперервним розвитком галузі традиційна фемтосекундна лазерна технологія обробки не може задовольнити зростаючий промисловий попит, тому її необхідно розвивати та оптимізувати. Технологія ультрафіолетової фемтосекундної лазерної обробки є ефективним способом підвищення точності обробки та має велике застосування в промисловому виробництві. Технологія фемтосекундної лазерної обробки векторних і вихрових полів змінила традиційний одиночний режим обробки, зробивши лазерну обробку більш гнучкою та різноманітною. Крім того, технологія обробки ультрафіолетового вектора та вихрового фемтосекундного лазера також є практикою та перевіркою теорії взаємодії між світлом і матерією, яка допомагає розкрити глибший фізичний механізм і має позитивне наукове значення.