Определение
Сверхбыстрый лазер — это тип сверхинтенсивного ультракороткого импульсного лазера с длительностью импульса менее или в пределах пико2-го уровня (10-12 с), который определяется на основе формы выходной энергии. Это определение связано с «сверхбыстрыми явлениями». Сверхбыстрое явление относится к явлению, которое происходит в физическом, химическом или биологическом процессе, который быстро изменяется в микроскопической системе материи. В атомной и молекулярной системе временной масштаб движения атомов и молекул составляет порядка пикосекунд до фемтосекунд. Например, период молекулярного вращения составляет порядка пикосекунд, а период вибрации составляет порядка фемтосекунд. Когда ширина лазерного импульса достигает уровня пико2-го или фемтосекундного, он может в значительной степени избежать влияния на общее тепловое движение молекул (тепловое движение молекул является микроскопической сущностью температуры материи), и материал генерируется на временной шкале молекулярной вибрации. Влияние, так что при достижении цели обработки тепловой эффект значительно уменьшается.
Тип
Существует множество методов классификации лазеров, среди которых наиболее распространены 4 метода классификации: классификация по рабочему веществу, классификация по форме выходной энергии (режим работы), классификация по выходной длине волны (цвет) и классификация по мощности.
Среди них, в зависимости от формы выходной энергии, лазеры можно разделить на непрерывные, импульсные и квазинепрерывные:
Непрерывный лазер
Это лазер, который непрерывно выдает стабильные энергетические волны в течение рабочего времени. Он характеризуется высокой мощностью и может обрабатывать материалы с большим объемом и высокой температурой плавления, такие как металлические пластины.
Импульсный лазер
Он выводит энергию в виде импульсов. В зависимости от ширины импульса его можно разделить на милли2-е лазеры, микро2-е лазеры, нано2-е устройства отключения, пико2-е лазеры, фемто2-е лазеры и атто2-е лазеры; например, если импульсный лазер Ширина импульса выходного лазера составляет от 1 до 1000 нс, мы называем их нано2-е лазеры и так далее. Мы называем пико2-е лазеры, фемто2-е лазеры, атто2-е лазеры и сверхбыстрые лазеры. Мощность импульсного лазера намного ниже, чем у непрерывного лазера, но точность обработки выше, чем у непрерывного лазера, и в целом, чем уже ширина импульса, тем выше точность обработки.
Квази-непрерывный лазер
Он может многократно выдавать относительно высокоэнергетический лазер в течение определенного периода времени, и теоретически он также является импульсным лазером.
Формы выходной энергии трех вышеупомянутых лазеров также можно описать параметром «рабочий цикл». Для лазера рабочий цикл можно интерпретировать как отношение времени выхода энергии лазера к общему времени в пределах импульсного цикла.
Рабочий цикл лазера CW (=1) > рабочий цикл квазинепрерывного лазера > рабочий цикл импульсного лазера. Как правило, чем уже ширина импульса импульсного лазера, тем ниже рабочий цикл.
В области обработки материалов импульсные лазеры изначально были переходным продуктом непрерывных лазеров. Это связано с тем, что выходная мощность непрерывных лазеров не может быть очень высокой из-за влияния таких факторов, как несущая способность основных компонентов и уровень технологии на ранней стадии, а материал не может быть нагрет до точки плавления. Вышеизложенное достигает цели обработки. Если определенные технические средства используются для концентрации выходной энергии лазера на одном импульсе, так что, хотя общая мощность лазера не меняется, мгновенная мощность во время импульса значительно увеличивается, что удовлетворяет требованиям обработки материалов. Позже непрерывная лазерная технология постепенно созрела, и было обнаружено, что импульсный лазер имеет большое преимущество в точности обработки. Это связано с тем, что тепловое воздействие импульсного лазера на материалы меньше, и чем уже ширина лазерного импульса, тем меньше тепловое воздействие и чем ровнее край обрабатываемого материала, тем выше соответствующая точность обработки.
Компоненты
2 основных требования к сверхбыстрым лазерам: высокая стабильность сверхкоротких импульсов и высокая энергия импульса. Как правило, сверхкороткие импульсы могут быть получены с помощью технологии синхронизации мод, а высокая энергия импульса может быть получена с помощью технологии усиления CPA. Основные задействованные компоненты включают в себя осцилляторы, расширители, усилители и компрессоры. Среди них технология осциллятора и усилителя является наиболее сложной, и они также являются основной технологией компании по производству сверхбыстрых лазеров.
Генератор
В генераторе сверхбыстрые лазерные импульсы получаются с использованием метода синхронизации мод.
носилки
Растяжитель растягивает импульсы фемтосекундной затравки во времени на разные длины волн.
Усилитель
Для полной подачи энергии на этот растянутый импульс используется усилитель с чирпом.
Компрессор
Компрессор объединяет усиленные спектры различных компонентов и восстанавливает их до фемто2-й ширины, формируя таким образом фемто2-й лазерные импульсы с чрезвычайно высокой мгновенной мощностью.
Приложения
По сравнению с нано- и милли-2-дюймовыми лазерами, хотя общая мощность сверхбыстрых лазеров ниже, поскольку они напрямую воздействуют на временную шкалу молекулярных колебаний материала, они реализуют «холодную обработку» в истинном смысле, поэтому точность обработки значительно повышается.
Из-за различных характеристик мощные непрерывные лазеры, не сверхбыстрые импульсные лазеры и сверхбыстрые лазеры имеют большие различия в областях последующего применения:
Мощные непрерывные лазеры (и квазинепрерывные лазеры) используются для резки, спекания, сварка, облицовка поверхности, сверление, 3D печать на металлических материалах.
Не сверхбыстрые импульсные лазеры используются для маркировки неметаллических материалов, обработки кремниевых материалов, прецизионная гравировка металлических поверхностей, очистка металлических поверхностей, прецизионная сварка металлов, микрообработка металлов.
Сверхбыстрые лазеры используются для резки и сварки прозрачных материалов, таких как стекло, ПЭТ и сапфир, а также твердых и хрупких материалов. прецизионная маркировка, офтальмологическая хирургия, микроскопическая пассивация и травление материалов.
С точки зрения использования, мощные непрерывные лазеры и сверхбыстрые лазеры практически не имеют взаимозаменяемых отношений. Они как топоры и пинцеты, и их размеры имеют свои преимущества и недостатки. Последующие применения не сверхбыстрых импульсных лазеров имеют некоторое совпадение с непрерывными лазерами и сверхбыстрыми лазерами. Из фактических результатов, при том же применении, его мощность не так хороша, как у непрерывных лазеров, а его точность не так хороша, как у сверхбыстрых лазеров. Более заметной является производительность затрат.
Особенно нано2-й ультрафиолетовый лазер, хотя его ширина импульса не достигает пико2-го уровня, но точность обработки значительно улучшена по сравнению с другими цветными нано2-ми лазерами, он широко используется в обработке и производстве 3C-продуктов. В будущем, по мере снижения стоимости сверхбыстрых лазеров, он может занять рынок нано2-го ультрафиолета.
Сверхбыстрые лазеры реализуют холодную обработку в реальном смысле и имеют значительные преимущества в точной обработке. По мере того, как технология производства сверхбыстрых лазеров постепенно совершенствуется, стоимость постепенно снижается. В будущем ожидается, что они будут широко использоваться в медицинской биологии, аэрокосмической отрасли, бытовой электронике, осветительных дисплеях, энергетической среде, точном машиностроении и других отраслях промышленности.
Медицинская Косметология
Сверхбыстрые лазеры могут использоваться в медицинском офтальмологическом оборудовании и косметических устройствах. Лазер Femto2nd используется в хирургии миопии и известен как «еще одна революция в рефракционной хирургии» после технологии аберрации волнового фронта. Ось глаза у пациентов с миопией больше, чем нормальная ось глаза, так что в состоянии расслабления глазного яблока фокус параллельных световых лучей после преломления рефракционной системой глаза попадает перед сетчаткой. Хирургия лазера Femto2nd может удалить избыток мышц в осевом измерении и восстановить осевое расстояние до нормального. Хирургия лазера Femto2nd имеет такие преимущества, как высокая точность, высокая безопасность, высокая стабильность, короткое время операции и высокий комфорт, и стала одним из самых распространенных методов хирургии миопии.
С точки зрения красоты, сверхбыстрые лазеры можно использовать для удаления пигмента и родинок, удаления татуировок, замедления старения кожи.
Бытовая электроника
Сверхбыстрые лазеры подходят для обработки твердых и хрупких прозрачных материалов, обработки тонких пленок, прецизионной маркировки и т. д. в процессе производства бытовой электроники. Закаленное стекло для мобильных телефонов и сапфир являются типичными твердыми, хрупкими и прозрачными материалами в сырье для бытовой электроники, особенно сапфир, из-за его высокой твердости и высокой хрупкости эффективность и выход годного традиционных методов обработки очень низкие; сапфир в настоящее время широко используется Он широко используется в смарт-часах, крышках камер мобильных телефонов, крышках модулей отпечатков пальцев и т. д.; нано-ультрафиолетовый лазер 2nd и сверхбыстрый лазер являются основными техническими средствами для резки сапфира в настоящее время, а эффект обработки сверхбыстрого лазера лучше, чем у ультрафиолетового нано-2nd лазера. Кроме того, методы обработки, используемые модулями камер и модулями отпечатков пальцев, в основном нано- и пико-2nd лазеры. Для резки гибких экранов мобильных телефонов (складных экранов) и соответствующих 3D В будущем при сверлении стекла основной технологией, скорее всего, станут сверхбыстрые лазеры.
Сверхбыстрые лазеры также имеют важные применения в производстве панелей. Сверхбыстрые лазеры могут использоваться для резки поляризаторов OLED, отслаивания и ремонта в процессе производства LCD/OLED.
Для OLED полимерные материалы особенно чувствительны к тепловым воздействиям. Кроме того, размер и расстояние между ячейками, которые производятся в настоящее время, очень малы, а оставшийся размер обработки также очень мал. Традиционный процесс высечки, как и прежде, больше не подходит для сегодняшнего дня. Производственные потребности отрасли, а теперь и требования к применению экранов специальной формы и перфорированных экранов, которые выходят за рамки возможностей традиционных ремесел. Таким образом, отражаются преимущества сверхбыстрых лазеров, особенно ультрафиолетовых пико2- или даже фемто2-лазеров, которые имеют небольшую зону теплового воздействия и больше подходят для более гибких приложений, таких как обработка кривых.
Микросварка
Для прозрачных твердых сред, таких как стекло, при распространении ультракороткого импульсного лазера в среде будут происходить различные явления, такие как нелинейное поглощение, повреждение при плавлении, образование плазмы, абляция и распространение волокон. На рисунке показаны различные явления, которые происходят при взаимодействии ультракороткого импульсного лазера с твердым материалом при различных плотностях мощности и временных масштабах.
Поскольку технология лазерной микросварки ультракороткими импульсами не требует установки промежуточного слоя, имеет высокую эффективность, высокую точность, не имеет макроскопического термического эффекта и имеет относительно идеальные механические и оптические свойства после микросварочной обработки, она очень подходит для микросварки прозрачных материалов, таких как стекло. Например, исследователи успешно приварили концевые заглушки к стандартным и микроструктурированным оптическим волокнам с использованием импульсов 70 фс, 250 кГц.
Освещение дисплея
Применение сверхбыстрых лазеров в области освещения дисплеев в основном относится к скрайбированию и резке светодиодных пластин. Это еще один пример того, что сверхбыстрые лазеры подходят для обработки твердых и хрупких материалов. Сверхбыстрая лазерная обработка имеет высокую плоскостность поперечного сечения и значительно сниженное сколы кромок. Эффективность и точность значительно улучшены.
Фотоэлектрическая энергия
Сверхбыстрые лазеры имеют широкое применение в производстве фотоэлектрических элементов. Например, при производстве тонкопленочных батарей CIGS сверхбыстрые лазеры могут заменить оригинальный механический процесс скрайбирования и значительно улучшить качество скрайбирования, особенно для скрайбирующих звеньев P2 и P3, которые позволяют добиться практически полного отсутствия сколов, трещин и остаточного напряжения.
Аэрокосмическая индустрия
Для повышения производительности и срока службы лопаток турбины, а затем повышения производительности двигателя необходимо принять технологию охлаждения воздушной пленкой, которая выдвигает чрезвычайно высокие требования к технологии обработки отверстий воздушной пленкой. В 2018 году Сианьский институт оптики и механики разработал самую высокую энергию одиночного импульса в Китае. 26-ваттный промышленный фемто-волоконный лазер второго поколения и разработал серию сверхбыстрого лазерного экстремального производственного оборудования, добился прорыва в «холодной обработке» отверстий воздушной пленкой в лопатках турбин авиационных двигателей, заполнив внутренний пробел. Этот метод обработки более продвинут, чем EDM. Точность метода выше, а производительность значительно улучшена.
Сверхбыстрые лазеры также могут применяться для прецизионной обработки армированных волокном композитных материалов, а повышение точности обработки будет способствовать расширению применения композитных материалов, таких как углеродное волокно, в аэрокосмической промышленности и других высокотехнологичных областях.
Область исследований
Технология двухфотонной полимеризации (2ПП) — это «нанооптическая» 3D Метод печати, аналогичный технологии быстрого прототипирования с использованием светоотверждаемых материалов, и футурист Кристофер Барнатт считает, что эта технология может стать основной формой 3D Печать в будущем. Принцип технологии двухфотонной полимеризации заключается в селективном отверждении светочувствительной смолы с помощью "femto2nd impulse laser". Это похоже на быстрое прототипирование с фотоотверждением, разница в том, что минимальная толщина слоя и разрешение по оси XY, которые может достичь технология двухфотонной полимеризации, находятся в диапазоне от 2 нм до 2 нм. Другими словами, 100PP 3D Технология печати в сотни раз точнее традиционной технологии светоотверждаемого формования, а напечатанные объекты меньше бактерий.
В настоящее время цена сверхбыстрых лазеров все еще относительно высока. Будучи пионером в этой отрасли, STYLECNC уже производит сверхбыстрое лазерное технологическое оборудование и добилась хороших отзывов на рынке. Оборудование для лазерной прецизионной резки для OLED-модулей на основе сверхбыстрой лазерной технологии, сверхбыстрое (пикосекундное/фемтосекундное) лазерное маркирующее оборудование, оборудование для лазерной обработки стекла для инфракрасных экранов pico2nd и инфракрасных стеклянных пластин pico2nd были запущены в производство лазерное режущее оборудование, светодиодная автоматическая невидимая машина для резки, полупроводниковая пластина Машина лазерной резки, оборудование для резки стеклянных покрытий для модулей идентификации отпечатков пальцев, гибкие линии массового производства дисплеев и ряд сверхбыстрых лазерных изделий.
Плюсы и минусы
Плюсы
Сверхбыстрый лазер является одним из важных направлений развития в области лазеров. Как новая технология, она имеет значительные преимущества в точной микрообработке. Сверхкороткий импульс, генерируемый сверхбыстрым лазером, взаимодействует с материалом в течение очень короткого времени и не переносит тепло в окружающие материалы, поэтому сверхбыструю лазерную обработку также называют холодной обработкой. Это связано с тем, что, когда ширина лазерного импульса достигает пико2-го или фемто2-го уровня, можно в значительной степени избежать влияния на тепловое движение молекул, что приводит к меньшему тепловому воздействию.
Например, когда мы режем консервированные яйца тупым кухонным ножом, мы часто режем консервированные яйца на мелкие кусочки. Если вы выбираете метод резки с особенно острым лезвием ножа, которое быстро режет беспорядок, консервированные яйца будут нарезаны ровно и красиво. В этом преимущество супербыстроты.
Минусы
Отрасли высокотехнологичного производства, такие как производство интегральных схем и панелей, предъявляют чрезвычайно высокие требования к оборудованию для лазерной обработки, и существует риск того, что технологические прорывы не оправдают ожиданий.
Цена сверхбыстрых лазеров высока, и переход к новому поставщику лазеров несет в себе риск того, что не удастся расширить рынок, как того ожидают производители лазерного оборудования, так и большинство последующих пользователей.
