Definícia
Ultrarýchly laser je typ ultraintenzívneho ultrakrátko pulzného lasera so šírkou pulzu menšou alebo v rámci pico2nd level (10-12s), ktorý je definovaný na základe tvaru vlny výstupnej energie. Táto definícia súvisí s „ultrarýchlymi javmi“. Ultrarýchly jav označuje jav, ktorý sa vyskytuje vo fyzikálnom, chemickom alebo biologickom procese, ktorý sa rýchlo mení v mikroskopickom systéme hmoty. V atómovom a molekulárnom systéme je časový rozsah pohybu atómov a molekúl rádovo od pikosekúnd až po femtosekundy. Napríklad perióda molekulárnej rotácie je rádovo v pikosekundách a perióda vibrácií je rádovo femtosekundy. Keď šírka laserového impulzu dosiahne úroveň piko2 alebo femtosekundy, môže sa do značnej miery vyhnúť vplyvu na celkový tepelný pohyb molekúl (tepelný pohyb molekúl je mikroskopickou podstatou teploty hmoty) a materiál sa generuje na časovej škále molekulárnych vibrácií. Vplyv tak, že pri dosiahnutí účelu spracovania sa výrazne zníži tepelný efekt.
Typy
Existuje mnoho klasifikačných metód pre lasery, medzi ktorými sú 4 najčastejšie používané klasifikačné metódy vrátane klasifikácie podľa pracovnej látky, klasifikácie podľa tvaru vlny výstupu energie (pracovný režim), klasifikácie podľa výstupnej vlnovej dĺžky (farby) a klasifikácie podľa výkonu.
Medzi nimi, podľa tvaru vlny výstupnej energie, možno lasery rozdeliť na kontinuálne lasery, pulzné lasery a kvázi kontinuálne lasery:
Kontinuálny laser
Ide o laser, ktorý počas pracovnej doby nepretržite vydáva stabilné energetické vlny. Vyznačuje sa vysokým výkonom a dokáže spracovať materiály s veľkým objemom a vysokou teplotou topenia, ako sú kovové dosky.
Pulzný laser
Energiu vydáva vo forme impulzov. Podľa šírky impulzu sa ďalej delí na mili2nd lasery, micro2nd lasery, nano2nd vypínacie zariadenia, pico2nd lasery, femto2nd lasery a atto2nd lasery; napríklad pulzný laser Šírka pulzu výstupného lasera je medzi 1-1000ns, čo nazývame nano2nd lasery atď. Nazývame pico2nd lasery, femto2nd lasery, atto2nd lasery a ultrarýchle lasery. Výkon pulzného lasera je oveľa nižší ako výkon kontinuálneho lasera, ale presnosť spracovania je vyššia ako presnosť kontinuálneho lasera a vo všeobecnosti platí, že čím užšia je šírka pulzu, tým vyššia je presnosť spracovania.
Kvázi-CW laser
Dokáže opakovane vydávať relatívne vysokoenergetický laser v určitom čase a teoreticky je to aj pulzný laser.
Energetické výstupné krivky vyššie uvedených 3 laserov možno opísať aj parametrom "pracovný cyklus". Pre laser možno pracovný cyklus interpretovať ako pomer času výstupu energie lasera k celkovému času v rámci pulzného cyklu.
Pracovný cyklus CW lasera (=1) > pracovný cyklus kvázi-CW lasera > pracovný cyklus pulzného lasera. Vo všeobecnosti platí, že čím užšia je šírka impulzu pulzného lasera, tým nižší je pracovný cyklus.
V oblasti spracovania materiálov boli impulzné lasery spočiatku prechodným produktom kontinuálnych laserov. Je to spôsobené tým, že výstupný výkon kontinuálnych laserov nemôže byť veľmi vysoký v dôsledku vplyvu faktorov, ako je nosnosť komponentov jadra a úroveň technológie v ranom štádiu a materiál sa nemôže zahriať na bod topenia. Vyššie uvedené spĺňa účel spracovania. Ak sa použijú určité technické prostriedky na sústredenie výstupnej energie lasera do jedného impulzu tak, že hoci sa celkový výkon lasera nemení, okamžitý výkon v čase impulzu sa značne zvýši, čo vyhovuje požiadavkám spracovania materiálu. Neskôr postupne dozrela kontinuálna laserová technológia a zistilo sa, že pulzný laser má veľkú výhodu v presnosti spracovania. Je to preto, že tepelný efekt pulzného lasera na materiály je menší a čím užšia je šírka laserového pulzu, tým menší je tepelný efekt a čím hladšia je hrana spracovávaného materiálu, zodpovedajúca presnosť obrábania je vyššia.
komponenty
2 základné požiadavky ultrarýchlych laserov: vysoká stabilita ultrakrátky impulz a vysoká energia impulzu. Vo všeobecnosti možno ultrakrátke impulzy získať pomocou technológie blokovania režimu a pomocou technológie zosilnenia CPA možno získať vysokú energiu impulzov. Medzi základné komponenty patria oscilátory, napínače, zosilňovače a kompresory. Spomedzi nich sú technológie oscilátora a zosilňovača najťažšie a sú tiež hlavnou technológiou spoločnosti na výrobu ultrarýchlych laserov.
Oscilátor
V oscilátore sa ultrarýchle laserové impulzy získavajú pomocou techniky uzamknutia režimu.
nosidlá
Nosiče rozťahujú pulzy femto2. semena od seba v čase rôznymi vlnovými dĺžkami.
zosilňovač
Na plné nabudenie tohto natiahnutého impulzu sa používa cvrlikací zosilňovač.
Kompresor
Kompresor spája zosilnené spektrá rôznych komponentov a obnovuje ich na femto2nd šírku, čím vytvára femto2nd laserové impulzy s extrémne vysokým okamžitým výkonom.
použitie
V porovnaní s lasermi nano2nd a milli2nd, hoci je celkový výkon ultrarýchlych laserov nižší, pretože priamo pôsobí na časovú škálu molekulárnych vibrácií materiálu, realizuje „spracovanie za studena“ v pravom slova zmysle, takže presnosť spracovania sa výrazne zlepšila.
Vďaka rôznym charakteristikám majú vysokovýkonné kontinuálne lasery, nie ultrarýchle pulzné lasery a ultrarýchle lasery veľké rozdiely v nasledujúcich aplikačných oblastiach:
Vysokovýkonné kontinuálne lasery (a kvázi kontinuálne lasery) sa používajú na rezanie, spekanie, zváranie, povrchové obklady, vŕtanie, 3D potlač kovových materiálov.
Ultrarýchle pulzné lasery sa používajú na značenie nekovových materiálov, spracovanie silikónových materiálov, presné gravírovanie kovových povrchov, čistenie kovových povrchov, presné zváranie kovov, mikroobrábanie kovov.
Ultrarýchle lasery sa používajú na rezanie a zváranie priehľadných materiálov ako je sklo, PET a zafír a tvrdých a krehkých materiálov, presné značenie, očná chirurgia, mikroskopická pasivácia a leptanie materiálov.
Z hľadiska použitia nemajú vysokovýkonné CW lasery a ultrarýchle lasery takmer žiadny vzájomný substitučný vzťah. Sú ako sekery a pinzety a ich veľkosti majú svoje výhody a nevýhody. Následné aplikácie nie ultrarýchlych pulzných laserov sa do určitej miery prekrývajú s kontinuálnymi lasermi a ultrarýchlymi lasermi. Zo skutočných výsledkov vyplýva, že pri rovnakej aplikácii nie je jeho výkon taký dobrý ako výkon kontinuálnych laserov a jeho presnosť nie je taká dobrá ako pri ultrarýchlych laseroch. Výraznejší je nákladový výkon.
Najmä ultrafialový laser nano2nd, hoci jeho šírka pulzu nedosahuje úroveň pico2nd, ale presnosť spracovania je výrazne lepšia v porovnaní s inými farebnými lasermi nano2nd, je široko používaný pri spracovaní a výrobe produktov 3C. V budúcnosti, keď budú náklady na ultrarýchle lasery klesať, môže obsadiť nano2nd ultrafialový trh.
Ultrarýchle lasery realizujú spracovanie za studena v skutočnom zmysle a majú významné výhody v presnom spracovaní. Ako výrobná technológia ultrarýchlych laserov postupne dozrieva, náklady postupne klesajú. V budúcnosti sa očakáva, že bude široko používaný v lekárskej biológii, letectve, spotrebnej elektronike, svetelných displejoch, energetickom prostredí, presných strojoch a ďalších nadväzujúcich odvetviach.
Lekárska kozmetika
Ultrarýchle lasery môžu byť použité v lekárskych očných chirurgických zariadeniach a kozmetických zariadeniach. Laser Femto2nd sa používa v chirurgii krátkozrakosti a je známy ako "ďalšia revolúcia v refrakčnej chirurgii" po technológii aberácie čela vlny. Očná os myopických pacientov je väčšia ako normálna os oka, takže v stave relaxácie očnej buľvy dopadá ohnisko paralelných svetelných lúčov po refrakcii refrakčným systémom oka pred sietnicu. Laserová operácia Femto2nd dokáže odstrániť prebytočný sval v axiálnom rozmere a vrátiť osovú vzdialenosť do normálu. Laserová chirurgia Femto2nd má výhody vysokej presnosti, vysokej bezpečnosti, vysokej stability, krátkej doby operácie a vysokého komfortu a stala sa jednou z najbežnejších metód chirurgie krátkozrakosti.
Čo sa týka krásy, ultrarýchle lasery môžu byť použité na odstránenie pigmentu a natívnych materských znamienok, odstránenie tetovania a zlepšenie starnutia pokožky.
Consumer Electronics
Ultrarýchle lasery sú vhodné na spracovanie tvrdých a krehkých priehľadných materiálov, spracovanie tenkých vrstiev, presné značenie atď. vo výrobnom procese spotrebnej elektroniky. Tvrdené sklo a zafír pre mobilné telefóny sú reprezentatívnymi tvrdými, krehkými a priehľadnými materiálmi v surovinách spotrebnej elektroniky, najmä zafír, vzhľadom na jeho vysokú tvrdosť a vysokú krehkosť je účinnosť a výťažnosť tradičných metód obrábania veľmi nízka; zafír je teraz široko používaný Je široko používaný v inteligentných hodinkách, krytoch fotoaparátov mobilných telefónov, krytoch modulov odtlačkov prstov atď.; nano2nd ultrafialový laser a ultrarýchly laser sú v súčasnosti hlavnými technickými prostriedkami na rezanie zafíru a efekt spracovania ultrarýchleho lasera je lepší ako ultrafialový nano2nd laser. Okrem toho metódy spracovania používané modulmi kamier a modulmi odtlačkov prstov sú hlavne lasery nano2nd a pico2nd. Na rezanie flexibilných obrazoviek mobilných telefónov (skladacích obrazoviek) a príslušných 3D vŕtanie skla v budúcnosti, hlavnou technológiou budú s najväčšou pravdepodobnosťou ultrarýchle lasery.
Ultrarýchle lasery majú tiež dôležité využitie pri výrobe panelov. Ultrarýchle lasery možno použiť na rezanie OLED polarizátorov, odlupovanie a opravy pri výrobe LCD/OLED.
V prípade OLED sú jeho polymérne materiály obzvlášť citlivé na tepelné vplyvy. Okrem toho sú veľkosť a rozstup buniek, ktoré sa v súčasnosti vyrábajú, veľmi malé a zostávajúca veľkosť spracovania je tiež veľmi malá. Tradičný proces vysekávania ako predtým už dnes nie je vhodný. Výrobné potreby priemyslu a teraz existujú požiadavky na aplikáciu na špeciálne tvarované obrazovky a perforované obrazovky, ktoré presahujú možnosti tradičných remesiel. Týmto spôsobom sa odrážajú výhody ultrarýchlych laserov, najmä pico2nd ultrafialových alebo dokonca femto2nd laserov, ktoré majú malú tepelne ovplyvnenú zónu a sú vhodnejšie pre flexibilnejšie aplikácie, ako je spracovanie kriviek.
Mikrozváranie
Pri priehľadných pevných médiách, ako je sklo, sa pri šírení ultrakrátkych pulzných laserov v médiu vyskytujú rôzne javy, ako je nelineárna absorpcia, poškodenie tavením, tvorba plazmy, ablácia a šírenie vlákien. Obrázok ukazuje rôzne javy, ktoré sa vyskytujú pri interakcii medzi ultrakrátkym pulzným laserom a pevným materiálom pri rôznych hustotách výkonu a časových mierkach.
Pretože technológia mikrozvárania laserom s ultrakrátkym pulzom nepotrebuje vkladať medzivrstvu, má vysokú účinnosť, vysokú presnosť, nemá makroskopický tepelný efekt a má relatívne ideálne mechanické a optické vlastnosti po úprave mikrozváraním, je veľmi vhodná na mikrozváranie priehľadných materiálov ako je sklo. Napríklad výskumníci úspešne privarili koncové kryty na štandardné a mikroštruktúrované optické vlákna pomocou impulzov 70 fs, 250 kHz.
Osvetlenie displeja
Aplikácia ultrarýchlych laserov v oblasti osvetlenia displejov sa týka hlavne ryhovania a rezania doštičiek LED. Toto je ďalší príklad ultrarýchlych laserov vhodných na spracovanie tvrdých a krehkých materiálov. Ultrarýchle laserové spracovanie má vysokú rovinnosť prierezu a výrazne znížené vylamovanie hrán. Účinnosť a presnosť sa výrazne zlepšili.
Fotovoltaická energia
Ultrarýchle lasery majú široký aplikačný priestor pri výrobe fotovoltaických článkov. Napríklad pri výrobe tenkovrstvových batérií CIGS môžu ultrarýchle lasery nahradiť pôvodný proces mechanického ryhovania a výrazne zlepšiť kvalitu ryhovania, najmä pri ryhovacích článkoch P2 a P3, ktoré nedosahujú takmer žiadne odštiepenie a žiadne praskliny a zvyškové napätie.
Aerospace
Aby sa zlepšil výkon a životnosť lopatiek turbíny a následne aj výkon motora, je potrebné prijať technológiu chladenia vzduchovým filmom, ktorá kladie mimoriadne vysoké požiadavky na technológiu spracovania otvorov vzduchového filmu. V roku 2018 vyvinul Xi'anský inštitút optiky a mechaniky najvyššiu energiu jedného impulzu v Číne. 26-wattový femto2nd vláknový laser priemyselnej kvality a vyvinutý rad ultrarýchlych laserových extrémnych výrobných zariadení dosiahli prielom v „studenom spracovaní“ otvorov vzduchového filmu v lopatkách turbín leteckých motorov a vyplnili tak medzeru v domácnostiach. Táto metóda spracovania je pokročilejšia ako EDM Presnosť metódy je vyššia a miera výťažnosti je výrazne lepšia.
Ultrarýchle lasery možno použiť aj na presné obrábanie kompozitných materiálov vystužených vláknami a zlepšenie presnosti obrábania pomôže rozšíriť aplikáciu kompozitných materiálov, ako sú uhlíkové vlákna, v leteckom a kozmickom priemysle a iných špičkových oblastiach.
Výskumné pole
2-fotónová polymerizačná technológia (2PP) je "nano-optická" 3D tlačová metóda podobná technológii rýchleho prototypovania vytvrdzovania svetlom a futurista Christopher Barnatt verí, že táto technológia sa môže stať bežnou formou 3D tlač v budúcnosti. Princípom technológie 2-fotónovej polymerizácie je selektívne vytvrdzovanie fotocitlivej živice pomocou "femto2nd pulzného lasera". Znie to ako rýchle prototypovanie fotovytvrdzovaním, rozdiel je v tom, že minimálna hrúbka vrstvy a rozlíšenie osi XY, ktoré môže dosiahnuť technológia 2-fotónovej polymerizácie, sú medzi 100 nm a 200 nm. Inými slovami, 2PP 3D technológia tlače je stokrát presnejšia ako tradičná technológia tvarovania vytvrdzovania svetlom a vytlačené veci sú menšie ako baktérie.
V súčasnosti je cena ultrarýchlych laserov stále pomerne drahá. Ako priekopník v tomto odvetví, STYLECNC už vyrába ultrarýchle zariadenia na laserové spracovanie a dosiahla dobrú spätnú väzbu na trhu. Laserové presné rezacie zariadenie pre moduly OLED založené na ultrarýchlej laserovej technológii, ultrarýchle (pikosekundové/femtosekundové) laserové označovacie zariadenie, laserové zariadenie na opracovanie skla pre pico2nd infračervené obrazovky a pico2nd infračervené sklenené doštičky boli spustené laserové rezacie zariadenie, LED automatický neviditeľný stroj na kocky, polovodičový plátok Laserový rezací stroj, zariadenia na rezanie sklenených krytov pre moduly na identifikáciu odtlačkov prstov, flexibilné linky na hromadnú výrobu displejov a sériu ultrarýchlych laserových produktov.
Výhody nevýhody
Pros
Ultrarýchly laser je jedným z dôležitých smerov vývoja v oblasti laserov. Ako nová technológia má významné výhody v presnom mikroobrábaní. Ultrakrátky impulz generovaný ultrarýchlym laserom interaguje s materiálom veľmi krátko a neprináša teplo do okolitých materiálov, preto sa ultrarýchle laserové spracovanie nazýva aj spracovanie za studena. Je to preto, že keď šírka laserového impulzu dosiahne úroveň pico2nd alebo femto2nd, je možné do značnej miery zabrániť vplyvu na tepelný pohyb molekúl, čo vedie k menšiemu tepelnému vplyvu.
Napríklad, keď krájame konzervované vajíčka tupým kuchynským nožom, často krájame konzervované vajíčka na jemné kúsky. Ak zvolíte spôsob krájania s obzvlášť ostrým ostrím noža, ktorý rýchlo prereže neporiadok, konzervované vajcia sa rozrežú rovnomerne a krásne. To je výhoda superrýchlosti.
Zápory
Špičkové výrobné odvetvia, ako sú integrované obvody a panely, majú extrémne vysoké požiadavky na zariadenia na spracovanie laserom a existuje riziko, že technologické objavy zaostanú za očakávaniami.
Cena ultrarýchlych laserov je vysoká a prechod k novému dodávateľovi laserov predstavuje riziko, že sa nepodarí rozšíriť trh tak, ako sa očakávalo pre výrobcov laserových zariadení, ani pre najnáslednejších používateľov.
