لیزر فوق سریع چیست؟

لیزر فوق سریع نوعی لیزر بسیار شدید و با پالس بسیار کوتاه با عرض پالس زیر یا درون سطح پیکوثانیه (10-12 ثانیه) است که بر اساس شکل موج خروجی انرژی تعریف می شود. 

نام لیزر بر اساس "پدیده فوق سریع" است که به پدیده ای اشاره دارد که در آن سیستم میکروسکوپی ماده به سرعت در یک فرآیند فیزیکی، شیمیایی یا بیولوژیکی تغییر می کند. در سیستم اتمی و مولکولی، مقیاس زمانی حرکت اتم ها و مولکول ها به ترتیب پیکوثانیه تا فمتوثانیه است. برای مثال، دوره چرخش مولکولی به ترتیب پیکوثانیه و دوره ارتعاش به ترتیب فمتوثانیه است. 

هنگامی که عرض پالس لیزر به سطح پیکو ثانیه یا فمتوثانیه می رسد، تا حد زیادی از هرگونه تأثیری که بر حرکت حرارتی کلی مولکول ها می گذارد، که جوهر میکروسکوپی دمای مات است، جلوگیری می کند. علاوه بر این، مواد تحت تأثیر مقیاس زمانی ارتعاشات مولکولی قرار می گیرند و تولید می شوند، به این معنی که در حین پردازش، اثر حرارتی تا حد زیادی کاهش می یابد.

فهرست مندرجات
انواع لیزر فوق سریع
اجزای یک لیزر فوق سریع
کاربردهای لیزر فوق سریع
مزایا و معایب لیزر فوق سریع

انواع لیزر فوق سریع

روش‌های طبقه‌بندی بسیاری برای لیزرها وجود دارد که چهار روش طبقه‌بندی رایج‌ترین آنها طبقه‌بندی بر اساس ماده کار، طبقه‌بندی بر اساس شکل موج خروجی انرژی (حالت کار)، طبقه‌بندی بر اساس طول موج خروجی (رنگ)، و طبقه‌بندی بر اساس توان است.

با توجه به شکل موج خروجی انرژی، لیزرها را می توان به لیزرهای پیوسته، لیزرهای پالسی و لیزرهای شبه پیوسته تقسیم کرد:

لیزر پیوسته

لیزر پیوسته لیزری است که به طور مداوم شکل موج های انرژی پایدار را در طول ساعات کاری تولید می کند. با قدرت بالا و توانایی آن در پردازش مواد حجیم با نقطه ذوب بالا، مانند صفحات فلزی مشخص می شود.

لیزر پالسی

لیزرهای پالسی انرژی را به صورت پالس تولید می کنند. با توجه به عرض پالس، این لیزرها را می توان به لیزرهای میلی ثانیه ای، لیزرهای میکروثانیه ای، دستگاه های خاموش کننده نانوثانیه، لیزرهای پیکو ثانیه ای، لیزرهای فمتوثانیه و لیزرهای آتوثانیه ای تقسیم کرد. به عنوان مثال، اگر عرض پالس لیزر خروجی بین 1 تا 1000 ثانیه باشد، به عنوان لیزر نانوثانیه طبقه بندی می شود. برای لیزرهای پیکوثانیه، لیزرهای فمتوثانیه، لیزرهای آتوثانیه و لیزرهای فوق سریع، توان لیزر پالسی بسیار کمتر از لیزر پیوسته است اما دقت پردازش بالاتر است. به طور کلی، هرچه عرض پالس باریکتر باشد، دقت پردازش بالاتر است.

لیزر شبه CW

لیزر شبه CW یک لیزر پالسی است که می تواند به طور مکرر یک لیزر با انرژی نسبتاً بالا را در مدت زمان مشخصی تولید کند.

شکل موج خروجی انرژی سه لیزر فوق را می توان با پارامتر "چرخه وظیفه" نیز توصیف کرد. 

برای یک لیزر، چرخه وظیفه را می توان به عنوان نسبت "زمان خروجی انرژی لیزر" نسبت به "زمان کل" در یک چرخه پالس تفسیر کرد. بنابراین، سیکل وظیفه لیزر CW (=1) > سیکل وظیفه لیزر شبه CW > چرخه وظیفه لیزر پالسی. به طور کلی، هرچه عرض پالس لیزر پالسی باریکتر باشد، چرخه کاری کمتر است.

در زمینه پردازش مواد، لیزرهای پالسی در ابتدا محصول انتقالی لیزرهای پیوسته بودند. این امر به این دلیل است که توان خروجی لیزرهای پیوسته به دلیل تأثیر عواملی از جمله ظرفیت باربری اجزای هسته و سطح فناوری در مراحل اولیه و همچنین این واقعیت که ماده تا نقطه ذوب نمی تواند گرم شود، نمی تواند بسیار بالا باشد. این عوامل هستند که به هدف پردازش یعنی نیاز به نوآوری دست می یابند.

این نوآوری با ابزارهای فنی خاصی که برای متمرکز کردن انرژی خروجی لیزر بر روی یک پالس استفاده می‌شوند، به وجود آمد. این امر قدرت کلی لیزر را از تغییر متوقف کرد، اما اجازه داد تا توان لحظه ای در زمان پالس به شدت افزایش یابد و بنابراین نیازهای پردازش مواد را برآورده کند. 

بعدها، تکنولوژی لیزر پیوسته به تدریج به بلوغ رسید و مشخص شد که لیزر پالسی مزیت زیادی در دقت پردازش دارد. این به این دلیل است که اثر حرارتی لیزرهای پالسی روی مواد کمتر است. هرچه عرض پالس لیزر باریکتر باشد، اثر حرارتی کوچکتر است. و هرچه لبه مواد پردازش شده صاف تر باشد، دقت ماشینکاری مربوطه بالاتر است.

اجزای یک لیزر فوق سریع

دو مورد از الزامات اصلی برای اینکه یک لیزر به عنوان یک لیزر فوق سریع در نظر گرفته شود، یک پالس فوق کوتاه با پایداری بالا و انرژی پالس بالا است. به طور کلی، پالس های فوق کوتاه را می توان با استفاده از فناوری حالت قفل به دست آورد، در حالی که انرژی پالس بالا را می توان با استفاده از فناوری تقویت CPA به دست آورد. 

اجزای اصلی درگیر شامل اسیلاتورها، برانکاردها، تقویت کننده ها و کمپرسورها هستند. در میان آنها، نوسان ساز و تقویت کننده چالش برانگیزترین هستند، اما آنها همچنین فناوری اصلی پشت هر شرکت تولید کننده لیزر فوق سریع هستند.

نوسان ساز

یک روش قفل کردن حالت برای به دست آوردن پالس های لیزر فوق سریع در نوسانگر استفاده می شود.

تیرانداز

برانکارد با استفاده از طول موج های مختلف، پالس های دانه فمتوثانیه را به موقع از هم جدا می کند.

تقویت کننده

یک تقویت کننده صدای جیر جیر برای انرژی دادن کامل به پالس که اکنون کشیده شده است استفاده می شود.

کمپرسور

کمپرسور طیف‌های تقویت‌شده اجزای مختلف را متحد می‌کند و آنها را به عرض فمتوثانیه بازمی‌گرداند و در نتیجه پالس‌های لیزر فمتوثانیه‌ای با قدرت آنی بسیار بالا تشکیل می‌دهد.

کاربردهای لیزر فوق سریع

در مقایسه با لیزرهای نانوثانیه و میلی ثانیه ای، لیزرهای فوق سریع قدرت کلی کمتری دارند، با این حال، از آنجایی که آنها مستقیماً در مقیاس زمانی ارتعاشات مولکولی مواد عمل می کنند، لیزرهای فوق سریع «پردازش سرد» را به معنای واقعی درک می کنند، به این معنی که دقت پردازش بسیار بهبود یافته است.

لیزرهای پیوسته پرقدرت، لیزرهای پالسی غیر فوق سریع و لیزرهای فوق سریع، همگی تفاوت های زیادی در زمینه های کاربردی پایین دستی دارند:

لیزرهای پیوسته پرقدرت (و لیزرهای شبه پیوسته) برای برش، تف جوشی، جوشکاری، روکش سطوح، سوراخ کاری و چاپ سه بعدی مواد فلزی.

لیزرهای پالسی غیر سریع برای علامت گذاری مواد غیر فلزی، پردازش مواد سیلیکونی، تمیز کردن و اجرا استفاده می شود. حکاکی دقیق روی سطوح فلزی، فلزات جوش دقیق و فلزات ریز ماشین.

از لیزرهای فوق سریع برای برش و جوش دادن مواد سخت و شکننده و همچنین مواد شفاف مانند شیشه، PET و یاقوت کبود استفاده می شود. علاوه بر این، آنها برای علامت گذاری دقیقجراحی چشم، غیرفعال سازی میکروسکوپی و اچینگ.

از نقطه نظر کاربرد آنها، لیزرهای پرقدرت CW و لیزرهای فوق سریع تقریباً هیچ رابطه جایگزینی متقابلی ندارند. آنها مانند تبر و موچین هستند و اندازه آنها هم مزایا و هم معایب خود را دارد. 

کاربردهای پایین دست لیزرهای پالسی غیر فوق سریع تا حدی با لیزرهای پیوسته و لیزرهای فوق سریع همپوشانی دارند. با این حال، با قضاوت بر اساس نتایج بدست آمده در موارد مشابه، قدرت لیزر پالسی غیر اولتراسریع به خوبی لیزر پیوسته نیست و دقت آن به خوبی لیزر فوق سریع نیست. بارزترین ویژگی آن عملکرد هزینه است.

لیزر فرابنفش نانوثانیه ای به طور خاص، اگرچه دارای عرض پالسی است که به سطح پیکوثانیه نمی رسد، اما دقت پردازش بسیار بالاتری نسبت به سایر لیزرهای نانوثانیه رنگی دارد. لیزر فرابنفش نانوثانیه ای به طور گسترده در پردازش و ساخت محصولات 3C استفاده می شود و با کاهش هزینه لیزرهای فوق سریع در آینده، ممکن است بازار فرابنفش نانو ثانیه را اشغال کند.

لیزرهای فوق سریع پردازش سرد را به معنای واقعی درک می کنند و مزایای قابل توجهی در پردازش دقیق دارند. علاوه بر این، با رشد تدریجی فناوری تولید، هزینه این لیزرهای فوق سریع کاهش می یابد. به این دلایل، انتظار می رود که این لیزرها در آینده به طور گسترده در زیست شناسی پزشکی، هوافضا، لوازم الکترونیکی مصرفی، نمایشگرهای روشنایی، محیط انرژی، ماشین آلات دقیق و سایر صنایع پایین دستی مورد استفاده قرار گیرند.

زیبایی پزشکی

لیزرهای فوق سریع را می توان در تجهیزات جراحی چشم پزشکی و دستگاه های زیبایی استفاده کرد. برای مثال، لیزر فمتوثانیه در جراحی نزدیک بینی استفاده می شود و پس از فناوری انحراف جبهه موج، به عنوان «انقلاب دیگری در جراحی انکساری» شناخته می شود. 

محور چشم بیماران نزدیک بینی بزرگتر از محور چشم طبیعی است، به این معنی که در حالت آرامش، کانون پرتوهای نور موازی توسط سیستم انکساری چشم پس از انکسار در جلوی شبکیه قرار می گیرد. جراحی لیزر فمتوثانیه می تواند عضله اضافی را در بعد محوری برداشته و فاصله محوری را به طول طبیعی خود بازگرداند. جراحی لیزر فمتوثانیه دارای مزایای دقت بالا، ایمنی بالا، پایداری بالا، زمان عمل کوتاه و راحتی بالا است که باعث شده است به یکی از رایج ترین روش های جراحی نزدیک بینی تبدیل شود.

از نظر زیبایی می توان از لیزرهای فوق سریع برای از بین بردن رنگدانه ها و خال های بومی، حذف خالکوبی و بهبود پیری پوست استفاده کرد.

لوازم الکترونیکی مصرفی

لیزرهای فوق سریع برای پردازش مواد شفاف سخت و شکننده، پردازش لایه نازک، و علامت گذاری دقیق و همچنین ارائه عملکردهای دیگر در فرآیند تولید لوازم الکترونیکی مصرفی مناسب هستند. یاقوت کبود و شیشه های سکوریت شده، مانند آنچه در تلفن های همراه استفاده می شود، از جمله مواد اولیه سخت، شکننده و شفاف در میان مواد اولیه مورد استفاده در لوازم الکترونیکی مصرفی محسوب می شوند. 

یاقوت کبود به طور گسترده ای در مواردی مانند ساعت های هوشمند، پوشش دوربین تلفن همراه و پوشش های ماژول اثر انگشت استفاده می شود. با این حال، به دلیل سطوح بالای سختی و شکنندگی، راندمان و نرخ تسلیم روش‌های ماشین‌کاری سنتی بسیار پایین است. به همین دلیل، لیزرهای فرابنفش نانوثانیه و لیزرهای فوق سریع، ابزار فنی اصلی برای برش یاقوت کبود هستند، با اثر پردازش لیزر فوق سریع بهتر از لیزر نانوثانیه فرابنفش. علاوه بر قابلیت های فوق، لیزرهای نانوثانیه و پیکوثانیه نیز روش های اصلی پردازشی هستند که توسط ماژول های دوربین و ماژول های اثر انگشت استفاده می شود. 

لیزرهای فوق سریع همچنین به احتمال زیاد به فناوری اصلی برای برش صفحه نمایش تلفن های همراه انعطاف پذیر (صفحه نمایش تاشو) و حفاری شیشه سه بعدی مربوطه در آینده تبدیل خواهند شد. 

لیزرهای فوق سریع همچنین کاربردهای مهمی در تولید پنل دارند، با کاربردهایی از جمله برش پلاریزرهای OLED و فرآیندهای لایه برداری و تعمیر در طول تولید LCD/OLED.

مواد پلیمری در تولید OLED به ویژه به تأثیرات حرارتی حساس هستند. علاوه بر این، اندازه و فاصله سلول های ساخته شده در حال حاضر بسیار کوچک است، همانطور که اندازه پردازش باقی مانده است. این بدان معنی است که فرآیند سنتی قالب گیری دیگر مناسب نیست. نیازهای تولیدی این صنعت و الزامات کاربردی برای صفحه نمایش های با شکل خاص و صفحه های سوراخ دار اکنون فراتر از توانایی های صنایع دستی سنتی است. بنابراین، مزایای ارائه شده توسط لیزرهای فوق سریع آشکار است، به ویژه هنگامی که لیزرهای ماوراء بنفش پیکوثانیه یا حتی فمتوثانیه را در نظر می گیریم، که دارای ناحیه متاثر از حرارت کوچک هستند و برای کاربردهای انعطاف پذیر مانند پردازش منحنی مناسب تر هستند.

جوش میکرو

برای اجزای رسانه جامد شفاف، مانند شیشه، پدیده‌های مختلفی از جمله جذب غیر خطی، آسیب ذوب، تشکیل پلاسما، فرسایش و انتشار فیبر زمانی رخ می‌دهد که یک لیزر پالس فوق کوتاه در محیط پخش شود. شکل، پدیده‌های مختلفی را نشان می‌دهد که در طول برهم‌کنش بین لیزر پالس اولتراکوتاه و مواد جامد تحت چگالی توان و مقیاس‌های زمانی متفاوت رخ می‌دهند.

فناوری میکرو جوش لیزر پالس فوق کوتاه برای ریزجوشکاری مواد شفاف مانند شیشه بسیار مناسب است زیرا نیازی به قرار دادن لایه میانی ندارد، دارای راندمان بالا، دقت بالا، بدون اثر حرارتی ماکروسکوپی است و خواص مکانیکی و نوری ایده آلی را پس از عملیات جوشکاری میکرو ارائه می دهد. به عنوان مثال، محققان با موفقیت درپوش های انتهایی را به فیبرهای نوری استاندارد و میکروساختار با استفاده از پالس های 70 fs و 250 کیلوهرتز جوش داده اند.

نورپردازی نمایشگر

کاربرد لیزرهای فوق سریع در زمینه نورپردازی نمایشگر عمدتاً به خط کشی و برش ویفرهای LED اشاره دارد که نمونه دیگری از مناسب بودن لیزرهای فوق سریع برای پردازش مواد سخت و شکننده است. پردازش لیزر فوق سریع دارای دقت و کارایی خوب و همچنین صافی سطح مقطع بالا و کاهش قابل توجه تراشه لبه است. 

انرژی فتوولتائیک

لیزرهای فوق سریع فضای کاربردی گسترده ای در ساخت سلول های فتوولتائیک دارند. به عنوان مثال، در ساخت باتری های لایه نازک CIGS، لیزرهای فوق سریع می توانند جایگزین فرآیند خط زدن مکانیکی اصلی شوند تا به طور قابل توجهی کیفیت خط نویسی را بهبود بخشند، به خصوص برای پیوندهای خط نویسی P2 و P3، که در آن تقریباً هیچ براده، ترک یا تنش پسماند حاصل نمی شود.

هوافضا

هنگام تلاش برای بهبود عملکرد موتور و عملکرد و عمر مفید پره های توربین مورد استفاده در هوافضا، فناوری خنک کننده فیلم هوا مورد نیاز است. با این حال، این به معنای الزامات بسیار بالا برای فناوری پردازش سوراخ فیلم هوا است. 

در سال 2018، موسسه اپتیک و مکانیک شیان بالاترین انرژی تک پالس را در چین توسعه داد: لیزر فیبر فمتوثانیه با درجه صنعتی 26 وات. علاوه بر این، آنها مجموعه‌ای از تجهیزات تولید لیزری فوق‌العاده سریع و فوق‌العاده را برای دستیابی به موفقیتی در «پردازش سرد» سوراخ‌های فیلم هوا در پره‌های توربین موتور هوا و در نتیجه پر کردن شکاف داخلی توسعه دادند. این روش پردازش از EDM پیشرفته تر است، دقت آن بالاتر است و نرخ بازده بسیار بهبود یافته است.

لیزرهای فوق سریع را می توان برای ماشینکاری دقیق مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف نیز به کار برد، در حالی که پیشرفت در دقت ماشینکاری به گسترش کاربرد مواد کامپوزیتی مانند فیبر کربن در هوا فضا و سایر زمینه های پیشرفته کمک می کند.

زمینه تحقیق

فناوری پلیمریزاسیون دو فوتونی (2PP) یک روش پرینت سه بعدی «نانو نوری» شبیه به فناوری نمونه‌سازی سریع نوری است. کریستوفر بارنات، آینده پژوه معتقد است که این فناوری ممکن است در آینده به شکل اصلی پرینت سه بعدی تبدیل شود. 

اصل فناوری 2PP این است که به طور انتخابی رزین حساس به نور را با استفاده از "لیزر پالس فمتوثانیه" درمان کند. اگرچه به نظر می رسد شبیه به نمونه سازی سریع فوتوکورینگ باشد، تفاوت این است که حداقل ضخامت لایه و وضوح محور XY که فناوری 2PP می تواند به دست آورد بین 100 نانومتر تا 200 نانومتر است. به عبارت دیگر، فناوری چاپ سه بعدی 2PP صدها برابر دقیق تر از فناوری قالب گیری نوری سنتی است و چیزهای چاپ شده کوچکتر از باکتری ها هستند.

قیمت لیزرهای فوق سریع نسبتاً گران است، اما به عنوان یک پیشگام در صنعت، STYLECNC در حال حاضر تجهیزات پردازش لیزر فوق سریع را تولید می کند و بازخورد خوبی در بازار به دست آورده است. تجهیزات برش دقیق لیزری برای ماژول‌های OLED بر اساس فناوری لیزر فوق سریع، تجهیزات علامت‌گذاری لیزری فوق سریع (پیکوثانیه/فمتوثانیه)، تجهیزات پردازش لیزری پخ شیشه‌ای برای صفحه‌نمایش‌های مادون قرمز پیکوثانیه و ویفرهای شیشه‌ای مادون قرمز پیکوثانیه راه‌اندازی شده‌اند. 

محصولاتی که به لطف این فناوری ها به بازار عرضه شده اند شامل تجهیزات برش لیزری، ماشین های تاس خودکار نامرئی LED، ویفر نیمه هادی است. دستگاههای برش لیزریتجهیزات برش پوشش شیشه ای برای ماژول های شناسایی اثر انگشت، خطوط تولید انبوه نمایشگر منعطف و مجموعه ای از محصولات لیزری فوق سریع.

مزایا و معایب لیزر فوق سریع

مزایای لیزر فوق سریع

لیزر فوق سریع یکی از مهم ترین جهت های توسعه در میدان لیزر است. به عنوان یک فناوری در حال ظهور، مزایای قابل توجهی در ریزماشین کاری دقیق دارد. 

پالس فوق کوتاه تولید شده توسط لیزر فوق سریع به این معنی است که خود لیزر فقط برای مدت بسیار کوتاهی با مواد تعامل می کند و بنابراین گرما را به مواد اطراف نمی رساند. علاوه بر این، زمانی که پهنای پالس لیزر به سطح پیکوثانیه یا فمتوثانیه می‌رسد، می‌توان از تأثیر بر حرکت حرارتی مولکولی تا حد زیادی اجتناب کرد و در نتیجه تأثیر حرارتی کمتری داشت. به همین دلیل، پردازش لیزری فوق سریع را «پردازش سرد» نیز می‌گویند.

یک مثال گرافیکی که مزایای لیزر فوق سریع را نشان می‌دهد، می‌تواند زمانی باشد که تخم‌مرغ‌های نگهداری‌شده را با یک چاقوی آشپزخانه بلانت برش می‌دهیم. ما اغلب تخم مرغ های نگهداری شده را به قطعات ریز برش می دهیم، بنابراین اگر یک لبه چاقوی تیز را انتخاب کنید که به سرعت برش می دهد، تخم مرغ های نگهداری شده به طور یکنواخت و زیبا بریده می شوند. 

معایب لیزر فوق سریع

صنایع تولیدی پیشرفته، مانند صنایع ساخت مدارهای مجتمع و پانل‌ها، نیازمندی‌های بسیار بالایی برای تجهیزات پردازش لیزری دارند و خطر پیشرفت‌های فناوری جدید وجود دارد که کمتر از انتظارات باشد.

قیمت یک لیزر فوق سریع بالا است و تغییر به یک تامین کننده لیزر جدید خطر عدم توانایی در گسترش بازار را به همراه دارد که در ابتدا توسط تولید کنندگان تجهیزات لیزر و کاربران نهایی انتظار می رفت. 

منبع از stylecnc.com

سلب مسئولیت: اطلاعات ذکر شده در بالا توسط stylecnc مستقل از Chovm.com ارائه شده است. Chovm.com هیچ گونه نمایندگی و ضمانتی در مورد کیفیت و قابلیت اطمینان فروشنده و محصولات نمی دهد.