Definitie
Ultrasnelle laser is een type ultra-intensieve ultra-kort gepulste laser met een pulsbreedte kleiner dan of binnen het pico2e niveau (10-12s), dat wordt gedefinieerd op basis van de energie-uitvoergolfvorm. Deze definitie is gerelateerd aan "ultrasnelle verschijnselen". Ultrasnelle verschijnselen verwijzen naar een verschijnsel dat optreedt in een fysiek, chemisch of biologisch proces dat snel verandert in het microscopische systeem van materie. In het atomaire en moleculaire systeem is de tijdschaal van de beweging van atomen en moleculen in de orde van picoseconden tot femtoseconden. De periode van moleculaire rotatie is bijvoorbeeld in de orde van picoseconden en de periode van vibratie is in de orde van femtoseconden. Wanneer de laserpulsbreedte het niveau van pico2e of femtoseconde bereikt, kan het de invloed op de algehele thermische beweging van moleculen grotendeels vermijden (de thermische beweging van moleculen is de microscopische essentie van de temperatuur van materie), en het materiaal wordt gegenereerd op de tijdschaal van moleculaire vibratie. Invloed, zodat terwijl het doel van de verwerking wordt bereikt, het thermische effect sterk wordt verminderd.
Types
Er bestaan veel classificatiemethoden voor lasers, waarvan de vier meest gebruikte classificatiemethoden zijn: classificatie op basis van werkzame stof, classificatie op basis van energie-outputgolfvorm (werkmodus), classificatie op basis van outputgolflengte (kleur) en classificatie op basis van vermogen.
Afhankelijk van de energie-uitvoergolfvorm kunnen lasers worden onderverdeeld in continue lasers, gepulseerde lasers en quasi-continue lasers:
Continue laser
Het is een laser die continu stabiele energiegolfvormen afgeeft tijdens werkuren. Het wordt gekenmerkt door een hoog vermogen en kan materialen met een groot volume en een hoog smeltpunt verwerken, zoals metalen platen.
Gepulste laser
Het geeft energie af in de vorm van pulsen. Volgens de pulsbreedte kan het verder worden onderverdeeld in milli2nd lasers, micro2nd lasers, nano2nd shutdown devices, pico2nd lasers, femto2nd lasers en atto2nd lasers; bijvoorbeeld, als een pulslaser De pulsbreedte van de outputlaser ligt tussen 1-1000ns, wat we nano2nd lasers noemen, enzovoort. We noemen pico2nd lasers, femto2nd lasers, atto2nd lasers en ultrasnelle lasers. Het vermogen van de gepulste laser is veel lager dan dat van de continue laser, maar de verwerkingsnauwkeurigheid is hoger dan die van de continue laser, en over het algemeen geldt: hoe smaller de pulsbreedte, hoe hoger de verwerkingsnauwkeurigheid.
Quasi-CW-laser
Het kan binnen een bepaalde periode herhaaldelijk een relatief hoge-energielaser afgeven en is in theorie ook een pulslaser.
De energie-outputgolfvormen van de bovenstaande 3 lasers kunnen ook worden beschreven door de parameter "duty cycle". Voor een laser kan de duty cycle worden geïnterpreteerd als de verhouding van de tijd van laserenergie-output ten opzichte van de totale tijd binnen een pulscyclus.
CW laser duty cycle (=1) > quasi-CW laser duty cycle > gepulste laser duty cycle. Over het algemeen geldt: hoe smaller de pulsbreedte van de gepulste laser, hoe lager de duty cycle.
Op het gebied van materiaalbewerking waren gepulste lasers aanvankelijk een overgangsproduct van continue lasers. Dit komt omdat het uitgangsvermogen van continue lasers niet erg hoog kan zijn vanwege de invloed van factoren zoals het draagvermogen van kerncomponenten en het technologieniveau in de vroege fase, en het materiaal niet kan worden verhit tot het smeltpunt. Het bovenstaande bereikt het doel van de verwerking. Als bepaalde technische middelen worden gebruikt om de uitgangsenergie van de laser te concentreren op een enkele puls, zodat hoewel het totale vermogen van de laser niet verandert, het momentane vermogen op het moment van de puls sterk wordt verhoogd, wat voldoet aan de vereisten van materiaalbewerking. Later werd de continue lasertechnologie geleidelijk volwassen en werd ontdekt dat gepulste laser een groot voordeel heeft in verwerkingsnauwkeurigheid. Dit komt omdat het thermische effect van gepulste laser op materialen kleiner is, en hoe smaller de laserpulsbreedte, hoe kleiner het thermische effect en hoe gladder de rand van het bewerkte materiaal, hoe hoger de overeenkomstige bewerkingsnauwkeurigheid is.
Componenten
2 kernvereisten van ultrasnelle lasers: hoge stabiliteit ultrakorte puls en hoge pulsenergie. Over het algemeen kunnen ultrakorte pulsen worden verkregen door gebruik te maken van mode-locking technologie, en hoge pulsenergie kan worden verkregen door gebruik te maken van CPA-versterkingstechnologie. De betrokken kerncomponenten omvatten oscillatoren, stretchers, versterkers en compressoren. Van hen zijn de oscillator- en versterkertechnologie het moeilijkst, en ze vormen ook de kerntechnologie van een ultrasnelle laserproductiebedrijf.
Oscillator
In de oscillator worden ultrakorte laserpulsen verkregen met behulp van een mode-locking-techniek.
Brancard
De stretcher rekt de femto2nd-zaadpulsen in de tijd uit over verschillende golflengten.
Versterker
Er wordt een piepende versterker gebruikt om deze uitgerekte puls volledig van energie te voorzien.
Compressor
De compressor brengt de versterkte spectra van verschillende componenten samen en herstelt ze tot de femto2e breedte, waardoor femto2e laserpulsen met een extreem hoog direct vermogen ontstaan.
Toepassingen
Vergeleken met nano2nd- en milli2nd-lasers is het totale vermogen van ultrakorte lasers weliswaar lager, maar omdat ze direct inwerken op de tijdschaal van moleculaire trillingen van het materiaal, realiseren ze 'koude verwerking' in de ware zin van het woord, waardoor de verwerkingsnauwkeurigheid aanzienlijk wordt verbeterd.
Vanwege verschillende eigenschappen vertonen hoogvermogen continue lasers, niet-ultrakorte gepulseerde lasers en ultrakorte lasers grote verschillen in de toepassingsgebieden verderop in het proces:
Continue lasers met hoog vermogen (en quasi-continue lasers) worden gebruikt voor het snijden, sinteren, lassen, oppervlaktebekleding, boren, 3D bedrukken van metalen materialen.
Niet-ultrasnelle gepulseerde lasers worden gebruikt voor het markeren van niet-metalen materialen, het bewerken van siliciummaterialen, precisie graveren van metalen oppervlakken, reiniging van metalen oppervlakken, precisielassen van metalen, microbewerking van metalen.
Ultrakorte lasers worden gebruikt voor het snijden en lassen van transparante materialen zoals glas, PET en saffier en harde en brosse materialen, precisiemarkering, oogheelkundige chirurgie, microscopisch passiveren en etsen van materialen.
Vanuit het oogpunt van gebruik hebben high-power CW lasers en ultrafast lasers bijna geen wederzijdse substitutierelatie. Ze zijn als assen en pincetten, en hun afmetingen hebben hun eigen voor- en nadelen. De downstream-toepassingen van niet-ultrafast gepulseerde lasers overlappen enigszins met continue lasers en ultrafast lasers. Uit de werkelijke resultaten blijkt dat het vermogen onder dezelfde toepassing niet zo goed is als dat van continue lasers en de nauwkeurigheid niet zo goed is als die van ultrafast lasers. Des te prominenter is de kostenprestatie.
Vooral de nano2nd ultraviolet laser, hoewel de pulsbreedte niet het pico2nd niveau bereikt, maar de verwerkingsnauwkeurigheid is sterk verbeterd vergeleken met andere kleuren nano2nd lasers, is het op grote schaal gebruikt in de verwerking en productie van 3C producten. In de toekomst, naarmate de kosten van ultrasnelle lasers dalen, kan het de nano2nd ultraviolet markt bezetten.
Ultrasnelle lasers realiseren koude verwerking in een echte zin en hebben significante voordelen in precisieverwerking. Naarmate de productietechnologie van ultrasnelle lasers geleidelijk rijper wordt, dalen de kosten geleidelijk. In de toekomst wordt verwacht dat het op grote schaal gebruikt zal worden in medische biologie, lucht- en ruimtevaart, consumentenelektronica, verlichtingsdisplays, energieomgeving, precisiemachines en andere downstream-industrieën.
Medische kosmetologie
Ultrakorte lasers kunnen worden gebruikt in medische oogchirurgieapparatuur en cosmetische apparaten. Femto2nd laser wordt gebruikt bij myopiechirurgie en staat bekend als "een andere revolutie in refractieve chirurgie" na golffrontaberratietechnologie. De oogas van myopische patiënten is groter dan de normale oogas, zodat in de staat van ontspanning van de oogbol de focus van parallelle lichtstralen na refractie door het refractieve systeem van het oog voor het netvlies valt. Femto2nd laserchirurgie kan overtollige spieren in de axiale dimensie verwijderen en de axiale afstand herstellen naar normaal. Femto2nd laserchirurgie heeft de voordelen van hoge nauwkeurigheid, hoge veiligheid, hoge stabiliteit, korte operatietijd en hoog comfort, en is een van de meest gangbare myopiechirurgiemethoden geworden.
Op het gebied van schoonheid kunnen ultrasnelle lasers worden gebruikt om pigment en moedervlekken te verwijderen, tatoeages te verwijderen en huidveroudering tegen te gaan.
Consumer Electronics
Ultrasnelle lasers zijn geschikt voor de verwerking van harde en brosse transparante materialen, dunnefilmverwerking, precisiemarkering, enz. in het productieproces van consumentenelektronica. Gehard glas en saffier van mobiele telefoons zijn representatieve harde, brosse en transparante materialen in grondstoffen voor consumentenelektronica, met name saffier, vanwege de hoge hardheid en hoge brosheid zijn de efficiëntie en opbrengst van traditionele bewerkingsmethoden erg laag; saffier wordt nu veel gebruikt. Het wordt veel gebruikt in slimme horloges, camerahoezen voor mobiele telefoons, vingerafdrukmodulehoezen, enz.; nano2nd ultraviolette laser en ultrasnelle laser zijn momenteel de belangrijkste technische middelen voor het snijden van saffier, en het verwerkingseffect van ultrasnelle laser is beter dan dat van ultraviolette nano2nd-laser. Bovendien zijn de verwerkingsmethoden die worden gebruikt door cameramodules en vingerafdrukmodules voornamelijk nano2nd- en pico2nd-lasers. Voor het snijden van flexibele schermen voor mobiele telefoons (opvouwbare schermen) en de bijbehorende 3D Voor het boren van glas in de toekomst zal de meest gangbare technologie waarschijnlijk bestaan uit ultrasnelle lasers.
Ultrasnelle lasers hebben ook belangrijke toepassingen in de productie van panelen. Ultrasnelle lasers kunnen worden gebruikt voor het snijden van OLED-polarisatoren, schillen en repareren tijdens de productie van LCD/OLED.
Voor OLED's zijn de polymeermaterialen bijzonder gevoelig voor thermische invloeden. Bovendien zijn de grootte en de afstand van de cellen die momenteel worden gemaakt erg klein en is de resterende verwerkingsgrootte ook erg klein. Het traditionele stansproces zoals voorheen is niet meer geschikt voor vandaag. De productiebehoeften van de industrie, en nu zijn er toepassingsvereisten voor speciaal gevormde schermen en geperforeerde schermen, die de mogelijkheden van traditionele ambachten te boven gaan. Op deze manier worden de voordelen van ultrasnelle lasers weerspiegeld, met name pico2nd ultraviolet of zelfs femto2nd lasers, die een kleine warmte-beïnvloede zone hebben en geschikter zijn voor flexibelere toepassingen zoals curveverwerking.
Microlassen
Voor transparante vaste media zoals glas, zullen verschillende fenomenen zoals niet-lineaire absorptie, smeltschade, plasmavorming, ablatie en vezelvoortplanting optreden wanneer ultrakorte pulslaser zich in het medium voortplant. De afbeelding toont verschillende fenomenen die optreden in de interactie tussen ultrakorte pulslaser en vast materiaal onder verschillende vermogensdichtheden en tijdschalen.
Omdat ultrakorte puls laser micro-lastechnologie geen tussenlaag hoeft in te voegen, een hoge efficiëntie, hoge precisie, geen macroscopisch thermisch effect en relatief ideale mechanische en optische eigenschappen heeft na micro-lasbehandeling, is het zeer geschikt voor micro-lassen van transparante materialen zoals glas. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld met succes eindkappen gelast aan standaard en microgestructureerde optische vezels met behulp van 70 fs, 250 kHz pulsen.
Displayverlichting
De toepassing van ultrasnelle lasers op het gebied van displayverlichting heeft voornamelijk betrekking op het krassen en snijden van LED-wafers. Dit is een ander voorbeeld van ultrasnelle lasers die geschikt zijn voor het verwerken van harde en brosse materialen. Ultrasnelle laserverwerking heeft een hoge dwarsdoorsnedevlakheid en aanzienlijk minder randafbrokkeling. Efficiëntie en nauwkeurigheid worden sterk verbeterd.
Fotovoltaïsche energie
Ultrasnelle lasers hebben een breed toepassingsgebied bij de productie van fotovoltaïsche cellen. Bijvoorbeeld, bij de productie van CIGS dunne-film batterijen kunnen ultrasnelle lasers het originele mechanische schrijfproces vervangen en de kwaliteit van het schrijven aanzienlijk verbeteren, met name voor P2 en P3 schrijfverbindingen, die vrijwel geen afbrokkeling en geen scheuren en restspanning kunnen bereiken.
LUCHT- EN RUIMTEVAART
Om de prestaties en levensduur van de turbinebladen te verbeteren en vervolgens de prestaties van de motor te verbeteren, is het noodzakelijk om luchtfilmkoelingtechnologie te gebruiken, die extreem hoge eisen stelt aan de luchtfilmgatverwerkingstechnologie. In 2018 ontwikkelde het Xi'an Institute of Optics and Mechanics de hoogste enkele pulsenergie in China. De 26-watt industriële femto2nd-vezellaser en ontwikkelde een reeks ultrasnelle laserextreme productieapparatuur, bereikte een doorbraak in de "koude verwerking" van luchtfilmgaten in turbinebladen van vliegtuigmotoren, waarmee de binnenlandse kloof werd gedicht. Deze verwerkingsmethode is geavanceerder dan EDM. De nauwkeurigheid van de methode is hoger en de opbrengst is aanzienlijk verbeterd.
Ultrakorte lasers kunnen ook worden toegepast bij de precisiebewerking van vezelversterkte composietmaterialen. De verbetering van de bewerkingsnauwkeurigheid zal de toepassing van composietmaterialen zoals koolstofvezel in de lucht- en ruimtevaart en andere geavanceerde sectoren helpen uitbreiden.
Onderzoeksveld
2-fotonpolymerisatietechnologie (2PP) is een "nano-optische" 3D printmethode, vergelijkbaar met de lichtuithardende rapid prototyping-technologie, en futurist Christopher Barnatt gelooft dat deze technologie een gangbare vorm van 3D printen in de toekomst. Het principe van 2-foton polymerisatietechnologie is om selectief lichtgevoelige hars te harden door gebruik te maken van "femto2nd pulse laser". Het klinkt als foto-uithardende rapid prototyping, het verschil is dat de minimale laagdikte en XY-asresolutie die 2-foton polymerisatietechnologie kan bereiken tussen de 100 nm en 200 nm liggen. Met andere woorden, 2PP 3D De printtechnologie is honderden malen nauwkeuriger dan de traditionele lichtuithardende giettechnologie en de geprinte objecten zijn kleiner dan bacteriën.
Momenteel is de prijs van ultrasnelle lasers nog relatief duur. Als pionier in de industrie, STYLECNC produceert al ultrasnelle laserverwerkingsapparatuur en heeft goede feedback van de markt gekregen. Laserprecisie snijapparatuur voor OLED-modules op basis van ultrasnelle lasertechnologie, ultrasnelle (picoseconde/femtoseconde) lasermarkeerapparatuur, glasafschuining laserverwerkingsapparatuur voor pico2nd infraroodschermen en pico2nd infraroodglaswafers zijn gelanceerd lasersnijapparatuur, LED automatische onzichtbare snijmachine, halfgeleiderwafer lasersnijmachine, apparatuur voor het snijden van glasafdekkingen voor vingerafdrukidentificatiemodules, flexibele displaymassaproductielijnen en een reeks ultrasnelle laserproducten.
Voor-en nadelen
VOORDELEN
Ultrasnelle laser is een van de belangrijke ontwikkelingsrichtingen in het laserveld. Als opkomende technologie heeft het aanzienlijke voordelen in precisiemicrobewerking. De ultrakorte puls die door de ultrasnelle laser wordt gegenereerd, interageert met het materiaal gedurende een zeer korte tijd en brengt geen warmte naar de omringende materialen, dus ultrasnelle laserbewerking wordt ook wel koude bewerking genoemd. Dit komt omdat, wanneer de laserpulsbreedte het pico2e of femto2e niveau bereikt, de invloed op de moleculaire thermische beweging grotendeels kan worden vermeden, wat resulteert in minder thermische invloed.
Bijvoorbeeld, als we geconserveerde eieren snijden met een bot keukenmes, snijden we de geconserveerde eieren vaak in fijne stukjes. Als je een snijmethode kiest met een bijzonder scherpe mesrand die de rommel snel snijdt, worden de geconserveerde eieren gelijkmatig en mooi gesneden. Dat is het voordeel van supersnel zijn.
NADELEN
Hoogwaardige productiebedrijven zoals die van geïntegreerde schakelingen en panelen stellen extreem hoge eisen aan laserbewerkingsapparatuur. Het risico bestaat dat technologische doorbraken niet aan de verwachtingen voldoen.
De prijs van ultrasnelle lasers is hoog en overstappen naar een nieuwe laserleverancier brengt het risico met zich mee dat de markt niet zo groot wordt als verwacht, zowel voor fabrikanten van laserapparatuur als voor de eindgebruikers.
