Ultraszybki laser to rodzaj lasera o bardzo intensywnych i bardzo krótkich impulsach, którego szerokość impulsu mieści się w granicach lub poniżej poziomu pikosekund (10-12 s), co definiuje się na podstawie kształtu fali energii wyjściowej.
Nazwa lasera pochodzi od „zjawiska ultraszybkiego”, które odnosi się do zjawiska, w którym mikroskopijny układ materii zmienia się szybko w procesie fizycznym, chemicznym lub biologicznym. W układzie atomowym i molekularnym skala czasowa ruchu atomów i cząsteczek jest rzędu pikosekund do femtosekund. Na przykład okres rotacji cząsteczek jest rzędu pikosekund, a okres drgań jest rzędu femtosekund.
Gdy szerokość impulsu laserowego osiąga poziom pikosekundy lub femtosekundy, w dużej mierze unika on jakiegokolwiek wpływu, jaki ma na ogólny ruch cieplny cząsteczek, który jest mikroskopijną esencją temperatury maty. Ponadto materiał jest pod wpływem i generowany przez skalę czasową drgań molekularnych, co oznacza, że podczas przetwarzania efekt cieplny jest znacznie zmniejszony.
Spis treści
Rodzaje ultrakrótkich laserów
Elementy ultrakrótkiego lasera
Zastosowania ultraszybkich laserów
Zalety i wady ultrakrótkiego lasera
Rodzaje ultrakrótkich laserów
Istnieje wiele metod klasyfikacji laserów, przy czym cztery najczęściej stosowane to klasyfikacja według substancji roboczej, klasyfikacja według kształtu fali wyjściowej energii (trybu pracy), klasyfikacja według długości fali wyjściowej (koloru) i klasyfikacja według mocy.
Ze względu na kształt fali wyjściowej energii lasery można podzielić na lasery ciągłe, lasery impulsowe i lasery quasi-ciągłe:
Ciągły laser
Laser ciągły to laser, który nieprzerwanie generuje stabilne przebiegi energii w godzinach pracy. Charakteryzuje się dużą mocą i zdolnością do przetwarzania materiałów o dużej objętości i wysokiej temperaturze topnienia, takich jak płyty metalowe.
Laser pulsacyjny
Lasery impulsowe wytwarzają energię w postaci impulsów. Ze względu na szerokość impulsu lasery te można dalej podzielić na lasery milisekundowe, lasery mikrosekundowe, urządzenia wyłączające nanosekundy, lasery pikosekundowe, lasery femtosekundowe i lasery attosekundowe. Na przykład, jeśli szerokość impulsu lasera wyjściowego wynosi od 1 do 1000 ns, byłby on klasyfikowany jako laser nanosekundowy. W przypadku laserów pikosekundowych, laserów femtosekundowych, laserów attosekundowych i laserów ultrakrótkich moc lasera impulsowego jest znacznie niższa niż lasera ciągłego, ale dokładność przetwarzania jest wyższa. Zasadniczo im węższa szerokość impulsu, tym wyższa dokładność przetwarzania.
Laser quasi-CW
Laser quasi-CW jest laserem impulsowym, który może wielokrotnie generować wiązkę lasera o stosunkowo wysokiej energii w określonym czasie.
Przebiegi energii wyjściowej trzech wyżej wymienionych laserów można również opisać za pomocą parametru „współczynnik wypełnienia”.
W przypadku lasera współczynnik wypełnienia można interpretować jako stosunek „czasu wyprowadzania energii lasera” do „całkowitego czasu” w cyklu impulsu. Tak więc współczynnik wypełnienia lasera CW (=1) > współczynnik wypełnienia lasera quasi-CW > współczynnik wypełnienia lasera impulsowego. Zasadniczo im węższa szerokość impulsu lasera impulsowego, tym niższy współczynnik wypełnienia.
W dziedzinie obróbki materiałów lasery impulsowe były początkowo produktem przejściowym laserów ciągłych. Wynika to z faktu, że moc wyjściowa laserów ciągłych nie jest w stanie osiągnąć bardzo wysokiej wartości ze względu na wpływ czynników, w tym nośności głównych komponentów i poziomu technologii na wczesnym etapie, a także faktu, że materiału nie można ogrzać do temperatury topnienia. Czynniki te osiągają cel obróbki, co oznacza potrzebę innowacji.
Innowacja pojawiła się wraz z zastosowaniem pewnych środków technicznych w celu skoncentrowania energii wyjściowej lasera na pojedynczym impulsie. Zapobiegło to zmianie całkowitej mocy lasera, ale pozwoliło na znaczne zwiększenie chwilowej mocy w momencie impulsu, co spełniło wymagania obróbki materiałów.
Później technologia ciągłego lasera stopniowo dojrzewała i odkryto, że laser impulsowy ma dużą przewagę w dokładności obróbki. Wynika to z faktu, że efekt cieplny laserów impulsowych na materiały jest mniejszy; im węższa szerokość impulsu lasera, tym mniejszy efekt cieplny; a im gładsza krawędź obrabianego materiału, tym wyższa odpowiadająca temu dokładność obróbki.
Elementy ultrakrótkiego lasera
Dwa podstawowe wymagania stawiane laserowi, aby mógł być uważany za ultraszybki, to wysoka stabilność ultrakrótkiego impulsu i wysoka energia impulsu. Generalnie ultrakrótkie impulsy można uzyskać, stosując technologię blokowania modów, podczas gdy wysoką energię impulsu można uzyskać, stosując technologię wzmacniania CPA.
Główne komponenty obejmują oscylatory, nosze, wzmacniacze i kompresory. Spośród nich oscylator i wzmacniacz są najbardziej wymagające, ale są również podstawową technologią każdej firmy produkującej ultraszybkie lasery.
Oscylator
Do uzyskania ultraszybkich impulsów laserowych w oscylatorze stosowana jest technika synchronizacji modów.
Nosze
Rozciągacz rozciąga femtosekundowe impulsy zapalne w odstępach czasu, wykorzystując różne długości fal.
Wzmacniacz
Do pełnego pobudzenia wydłużonego impulsu stosuje się wzmacniacz ćwierkający.
Kompresor
Kompresor łączy wzmocnione widma różnych składników i przywraca je do szerokości femtosekundowej, tworząc w ten sposób femtosekundowe impulsy laserowe o niezwykle dużej mocy natychmiastowej.
Zastosowania ultraszybkich laserów
W porównaniu z laserami nanosekundowymi i milisekundowymi, lasery ultrakrótkie mają niższą moc całkowitą. Ponieważ jednak działają bezpośrednio na skalę czasową drgań cząsteczek materiału, lasery ultrakrótkie realizują „obróbkę na zimno” w prawdziwym tego słowa znaczeniu, co oznacza znacznie większą dokładność obróbki.
Ze względu na swoje różne właściwości, lasery ciągłe dużej mocy, lasery impulsowe nie-ultra-szybkie i lasery ultra-szybkie znacząco różnią się w dalszych obszarach zastosowań:
Do cięcia, spiekania, spawalniczy, powlekanie powierzchni, wiercenie i drukowanie 3D materiałów metalowych.
Lasery impulsowe nie ultrakrótkie służą do znakowania materiałów niemetalowych, obróbki materiałów krzemowych, czyszczenia i przeprowadzania precyzyjne grawerowanie na powierzchniach metalowych, precyzyjnych spoinach i metalach mikromaszynowych.
Ultraszybkie lasery są używane do cięcia i spawania twardych i kruchych materiałów, a także materiałów przezroczystych, takich jak szkło, PET i szafir. Ponadto są używane do precyzyjne znakowanie, chirurgia okulistyczna, pasywacja mikroskopowa i trawienie.
Z punktu widzenia ich zastosowania, lasery CW dużej mocy i lasery ultrakrótkie nie mają prawie żadnej wzajemnej zależności substytucyjnej. Są jak topory i pęsety, a ich rozmiary mają zarówno swoje zalety, jak i wady.
Dalsze zastosowania laserów impulsowych innych niż ultraszybkie pokrywają się z zastosowaniami laserów ciągłych i ultraszybkich. Jednak sądząc po wynikach uzyskanych w tych samych zastosowaniach, moc lasera impulsowego innego niż ultraszybkiego nie jest tak dobra jak lasera ciągłego, a jego dokładność nie jest tak dobra jak lasera ultraszybkiego. Jego najważniejszą cechą jest stosunek ceny do wydajności.
W szczególności laser ultrafioletowy nanosekundowy, mimo że ma szerokość impulsu, która nie osiąga poziomu pikosekund, ma znacznie wyższą dokładność przetwarzania niż inne kolorowe lasery nanosekundowe. Laser ultrafioletowy nanosekundowy jest szeroko stosowany w przetwarzaniu i produkcji produktów 3C, a ponieważ koszt ultrakrótkich laserów w przyszłości spadnie, może on zająć rynek ultrafioletu nanosekundowego.
Ultraszybkie lasery realizują obróbkę na zimno w prawdziwym sensie i mają znaczące zalety w precyzyjnym przetwarzaniu. Ponadto, w miarę jak technologia produkcji stopniowo dojrzewa, koszt tych ultraszybkich laserów będzie spadał. Z tych powodów oczekuje się, że te lasery będą szeroko stosowane w biologii medycznej, lotnictwie, elektronice użytkowej, wyświetlaczach oświetleniowych, środowisku energetycznym, maszynach precyzyjnych i innych gałęziach przemysłu downstream w przyszłości.
Kosmetologia medyczna
Ultraszybkie lasery mogą być stosowane w sprzęcie do chirurgii oka i urządzeniach kosmetycznych. Na przykład laser femtosekundowy jest stosowany w chirurgii krótkowzroczności i jest znany, po technologii aberracji frontu fali, jako „kolejna rewolucja w chirurgii refrakcyjnej”.
Oś oka pacjentów krótkowzrocznych jest większa niż oś normalnego oka, co oznacza, że w stanie relaksu ognisko równoległych promieni świetlnych przez układ refrakcyjny oka po refrakcji pada przed siatkówką. Chirurgia laserowa femtosekundowa może usunąć nadmiar mięśni w wymiarze osiowym i przywrócić odległość osiową do jej normalnej długości. Chirurgia laserowa femtosekundowa ma zalety wysokiej dokładności, wysokiego bezpieczeństwa, wysokiej stabilności, krótkiego czasu operacji i wysokiego komfortu, co sprawiło, że stała się jedną z najpopularniejszych metod chirurgii krótkowzroczności.
W zakresie urody ultraszybkie lasery można stosować do usuwania przebarwień i znamion, usuwania tatuaży i poprawy wyglądu skóry.
Elektroniki użytkowej
Ultraszybkie lasery nadają się do obróbki twardych i kruchych materiałów przezroczystych, obróbki cienkich warstw i precyzyjnego znakowania, a także do zapewniania innych funkcji w procesie produkcyjnym elektroniki użytkowej. Szafir i szkło hartowane, takie jak stosowane w telefonach komórkowych, są uważane za twarde, kruche i przezroczyste materiały wśród surowców stosowanych w elektronice użytkowej.
Szafir jest szczególnie szeroko stosowany w takich produktach jak inteligentne zegarki, obudowy aparatów telefonów komórkowych i obudowy modułów odcisków palców. Jednak ze względu na wysoki poziom twardości i kruchości wydajność i wydajność tradycyjnych metod obróbki są bardzo niskie. Z tego powodu nanosekundowe lasery ultrafioletowe i lasery ultrakrótkie są głównymi środkami technicznymi do cięcia szafiru, przy czym efekt przetwarzania lasera ultrakrótkiego jest lepszy niż lasera ultrakrótkiego nanosekundowego. Oprócz powyższych funkcjonalności, lasery nanosekundowe i pikosekundowe są również głównymi metodami przetwarzania stosowanymi w modułach aparatów i modułach odcisków palców.
Ultraszybkie lasery najprawdopodobniej staną się w przyszłości podstawową technologią cięcia elastycznych ekranów telefonów komórkowych (ekranów składanych) i związanego z tym wiercenia szkła 3D.
Ultraszybkie lasery znajdują również zastosowanie w produkcji paneli, m.in. w cięciu polaryzatorów OLED oraz w procesach odklejania i naprawy podczas produkcji LCD/OLED.
Materiały polimerowe w produkcji OLED są szczególnie wrażliwe na wpływy termiczne. Ponadto rozmiar i odstępy między obecnie wytwarzanymi komórkami są bardzo małe, podobnie jak pozostały rozmiar przetwarzania. Oznacza to, że tradycyjny proces wykrawania nie jest już odpowiedni. Potrzeby produkcyjne przemysłu i wymagania aplikacji dla ekranów o specjalnych kształtach i ekranów perforowanych wykraczają obecnie poza możliwości tradycyjnych rzemiosł. Tak więc korzyści zapewniane przez ultrakrótkie lasery są oczywiste, szczególnie biorąc pod uwagę lasery pikosekundowe ultrafioletowe lub nawet femtosekundowe, które mają małą strefę wpływu ciepła i są bardziej odpowiednie do elastycznych zastosowań, takich jak przetwarzanie krzywych.
Mikrospawanie
W przypadku przezroczystych stałych komponentów mediów, takich jak szkło, różne zjawiska, w tym absorpcja nieliniowa, uszkodzenia spowodowane topnieniem, tworzenie plazmy, ablacja i propagacja włókien, wystąpią, gdy ultrakrótki impuls lasera rozchodzi się w medium. Na rysunku przedstawiono różne zjawiska, które występują podczas interakcji między ultrakrótkim impulsem lasera a materiałem stałym przy różnych gęstościach mocy i skalach czasowych.
Technologia mikrospawania laserowego ultrakrótkiego impulsu jest bardzo dobrze dostosowana do mikrospawania materiałów przezroczystych, takich jak szkło, ponieważ nie wymaga wstawiania warstwy pośredniej, ma wysoką wydajność, wysoką precyzję, nie powoduje makroskopowego efektu termicznego i zapewnia idealne właściwości mechaniczne i optyczne po obróbce mikrospawania. Na przykład badacze pomyślnie spawali zaślepki do standardowych i mikrostrukturalnych włókien optycznych przy użyciu impulsów 70 fs, 250 kHz.
Oświetlenie wyświetlacza
Zastosowanie ultraszybkich laserów w dziedzinie oświetlenia wyświetlaczy odnosi się głównie do rytowania i cięcia płytek LED, co jest kolejnym przykładem tego, jak ultraszybkie lasery nadają się do obróbki twardych i kruchych materiałów. Ultraszybkie przetwarzanie laserowe charakteryzuje się dobrą dokładnością i wydajnością, a także wysoką płaskością przekroju i znacznie zmniejszonym odpryskiwaniem krawędzi.
Energia fotowoltaiczna
Ultraszybkie lasery mają szerokie zastosowanie w produkcji ogniw fotowoltaicznych. Na przykład w produkcji cienkowarstwowych baterii CIGS ultraszybkie lasery mogą zastąpić oryginalny proces mechanicznego grawerowania, aby znacznie poprawić jakość grawerowania, szczególnie w przypadku połączeń grawerowania P2 i P3, gdzie można osiągnąć niemal brak odprysków, pęknięć lub naprężeń szczątkowych.
Lotnictwo
Technologia chłodzenia filmu powietrznego jest wymagana, gdy próbuje się poprawić wydajność silnika oraz wydajność i żywotność łopatek turbiny stosowanych w lotnictwie i kosmonautyce. Oznacza to jednak niezwykle wysokie wymagania dla technologii obróbki otworów filmu powietrznego.
W 2018 r. Instytut Optyki i Mechaniki w Xi'an opracował najwyższą energię pojedynczego impulsu w Chinach: 26-watowy, przemysłowy laser światłowodowy femtosekundowy. Ponadto opracowali serię ekstremalnych, ultraszybkich urządzeń do produkcji laserowej, aby osiągnąć przełom w „zimnej obróbce” otworów w warstwie powietrza w łopatkach turbin silników lotniczych i tym samym wypełnić krajową lukę. Ta metoda przetwarzania jest bardziej zaawansowana niż EDM, jej dokładność jest wyższa, a wydajność znacznie poprawiona.
Ultraszybkie lasery można również stosować do precyzyjnej obróbki materiałów kompozytowych wzmacnianych włóknami, a poprawa dokładności obróbki pomoże rozszerzyć zastosowanie materiałów kompozytowych, takich jak włókno węglowe, w lotnictwie i innych zaawansowanych dziedzinach.
Zakres badań
Technologia polimeryzacji dwufotonowej (2PP) to „nanooptyczna” metoda druku 3D podobna do technologii szybkiego prototypowania z utwardzaniem światłem. Futurolog Christopher Barnatt uważa, że technologia ta może stać się w przyszłości główną formą druku 3D.
Zasada technologii 2PP polega na selektywnym utwardzaniu żywicy światłoczułej za pomocą „lasera impulsowego femtosekundowego”. Chociaż wydaje się to podobne do szybkiego prototypowania fotoutwardzalnego, różnica polega na tym, że minimalna grubość warstwy i rozdzielczość osi XY, jaką może osiągnąć technologia 2PP, mieszczą się w przedziale od 100 nm do 200 nm. Innymi słowy, technologia druku 2D 3PP jest setki razy dokładniejsza niż tradycyjna technologia formowania utwardzanego światłem, a drukowane rzeczy są mniejsze niż bakterie.
Cena ultrakrótkich laserów pozostaje stosunkowo wysoka, ale jako pionier w branży, STYLECNC już produkuje ultrakrótki sprzęt do obróbki laserowej i uzyskał dobre opinie rynkowe. Precyzyjny sprzęt do cięcia laserowego modułów OLED został wprowadzony na rynek w oparciu o ultrakrótką technologię laserową, ultrakrótki (pikosekundowy/femtosekundowy) sprzęt do znakowania laserowego, sprzęt do obróbki laserowej fazowania szkła dla pikosekundowych ekranów wyświetlaczy podczerwieni oraz pikosekundowe szklane wafle podczerwieni.
Produkty wprowadzone na rynek dzięki tym technologiom obejmują urządzenia do cięcia laserowego, automatyczne niewidoczne maszyny do cięcia kostek LED, płytki półprzewodnikowe wycinarki laserowe, urządzenia do cięcia szklanych osłon modułów identyfikacji odcisków palców, elastyczne linie produkcyjne do masowej produkcji wyświetlaczy oraz seria ultraszybkich produktów laserowych.
Zalety i wady ultrakrótkiego lasera
Zalety ultrakrótkiego lasera
Ultraszybki laser jest jednym z najważniejszych kierunków rozwoju w dziedzinie laserów. Jako wschodząca technologia ma znaczące zalety w precyzyjnej mikroobróbce.
Ultrakrótki impuls generowany przez ultraszybki laser oznacza, że sam laser oddziałuje z materiałem tylko przez bardzo krótki czas i dlatego nie będzie dostarczał ciepła do otaczających materiałów. Ponadto, gdy szerokość impulsu lasera osiągnie poziom pikosekund lub femtosekund, wpływ na ruch termiczny cząsteczek może być w dużej mierze wyeliminowany, co skutkuje mniejszym wpływem termicznym. Z tego powodu ultraszybkie przetwarzanie laserowe jest również nazywane „przetwarzaniem na zimno”.
Graficznym przykładem pokazującym zalety superszybkiego lasera może być sytuacja, gdy kroimy konserwowane jajka tępym kuchennym nożem. Często kroimy konserwowane jajka na drobne kawałki, więc jeśli wybierzesz ostre ostrze noża, które tnie szybko, konserwowane jajka zostaną pokrojone równomiernie i pięknie.
Wady ultraszybkiego lasera
Branże zajmujące się produkcją wysokiej klasy podzespołów, na przykład układów scalonych i paneli, mają niezwykle wysokie wymagania co do sprzętu do obróbki laserowej. Istnieje ryzyko, że nowe przełomy technologiczne nie spełnią oczekiwań.
Cena ultraszybkiego lasera jest wysoka, a zmiana dostawcy lasera niesie ze sobą ryzyko, że nie uda się rozszerzyć rynku tak, jak pierwotnie oczekiwali producenci sprzętu laserowego i użytkownicy końcowi.
Źródło z stylcnc.com
Zastrzeżenie: Informacje podane powyżej są dostarczane przez stylecnc niezależnie od Chovm.com. Chovm.com nie składa żadnych oświadczeń ani gwarancji co do jakości i niezawodności sprzedawcy i produktów.
