Lāzers tiek uzskatīts par vienu no lielākajiem 20 gadsimta izgudrojumiem. Pēc trīs rūpniecisko apgriezienu beigām lāzers būs galvenais, lai vadītu ceturto rūpniecisko revolūciju. Lāzera parādīšanās ir ievērojami veicinājusi nozares attīstību. Lāzers ir kļuvis par vismodernāko un plaši izmantoto instrumentu apstrādes jomā, pateicoties tā priekšrocībām, piemēram, liela jauda, viegla fokusēšana, augsts spilgtums un laba virzienība. Lāzera apstrādei ir augstas precizitātes, liela ātruma un zemu izmaksu priekšrocības. To var automātiski kontrolēt, izmantojot datoru programmēšanu. Tas var apstrādāt struktūru ar sarežģītu formu. Tā kā tā ir bezkontakta apstrāde, tā nebojās materiālu un ir droša un uzticama.
Lāzera apstrādes klasifikācija un raksturojums
Saskaņā ar lāzera un matērijas mijiedarbības mehānismu lāzera apstrādi var iedalīt divās kategorijās: lāzera termiskā apstrāde un termiskā apstrāde. Lāzera veidi, ko izmanto termiskajā un termiskajā apstrādē, ir atšķirīgi. Termiskajā apstrādē parasti izmanto garu impulsu lāzeru vai nepārtrauktu lāzeru, un termiskā apstrādē parasti izmanto ultrahronu impulsu lāzeru, piemēram, pikosekundi un femtosekundi.
Lāzera termiskajā apstrādē tiek izmantots termiskais efekts, kas rodas materiālu lāzera apstarošanas procesā. Apstaroto materiālu molekulārajai sistēmai ir nepārtraukti jāiegūst enerģija no lāzera apstarošanas un jāpārveido tā savā iekšējā enerģijā. Apstarotās vietas temperatūra strauji paaugstinās, lai sasniegtu materiālu kušanas un viršanas temperatūru, kušanu un noņemšanu un sasniegtu pārstrādes mērķi. Tā kā ir nepieciešams ilgs laiks, līdz lāzera enerģija tiek pārveidota molekulārās sistēmas iekšējā enerģijā, termiskajā apstrādē bieži tiek izmantots ilga impulsa lāzers. Šī apstrādes metode ir vienkārša un tieša, un to plaši izmanto rūpnieciskajā ražošanā, piemēram, griešanā ar lāzeru, lāzera piedevu ražošanā utt. Tomēr apstrādes neizbēgamās termiskās difūzijas dēļ lāzera termiskās apstrādes precizitāte un raupjums ir ierobežoti.
Termiskā apstrāde ir nelineāru efektu (piemēram, nelineāras jonizācijas, virsmas izkliedes utt.) Izmantošana, ko izraisa materiālu elektroniskās sistēmas traucējumi, pārejot un jonizējot elektronu absorbcijas fotonus, kā arī fizikālās un ķīmiskās īpašības. materiāli tiek pamudināti mainīties, tādējādi radot dažus jaunus efektus (piemēram, divu fotonu polimerizāciju, lāzera sevis montāžu utt.), izmantojot šos jaunos efektus, lai sasniegtu palielinātu apstrādes precizitātes un optimizācijas mērķi. Tā kā enerģijas apmaiņu starp elektronu sistēmu un lāzeru var pabeigt vienā mirklī, termiskajā apstrādē parasti tiek izmantots ultraīska impulsa lāzers. Šai metodei ir augsta precizitāte un dažādas apstrādes metodes, kas ir viens no pētniecības punktiem lāzera apstrādes jomā.
Tradicionālās femtosekundes lāzera apstrādes priekšrocības un trūkumi
Īpaši augsta maksimālā jauda un īpaši īss impulsa ilgums ir divas galvenās femtosekundes lāzera priekšrocības. Īpaši liela maksimālā jauda ir pietiekama, lai izraisītu dažādus nelineārus efektus, kas bagātina lāzera apstrādes metodes. Īpaši ātras laika īpašības padara mijiedarbības procesu starp femtosekundes lāzeru un materiāliem ļoti īsu. Gaismas enerģiju, ko absorbē lāzera apstarošanas apgabals, nevar pat pārnest uz citām zonām, lai nodrošinātu, ka lāzera enerģiju var precīzi nogulsnēt apstarošanas diapazonā un veikt īpaši smalku apstrādi.
Pašlaik femtosekundes lāzers ir plaši izmantots mikro un nano apstrādes jomā, galvenokārt ietverot tiešu lāzera rakstīšanu un lāzera masku. Tomēr apstrādes sistēmas difrakcijas robežas dēļ nav iespējams bez ierobežojumiem samazināt lāzera apstarošanas laukumu, kas ierobežo turpmāku apstrādes precizitātes uzlabošanu. Tajā pašā laikā dažādu materiālu atšķirīgo nelineāro īpašību dēļ femtosekundētajai lāzera apstrādei ir liela atkarība no materiāliem. Viena un tā pati apstrādes metode dažādiem materiāliem bieži parāda atšķirīgus apstrādes efektus.
Ultravioletās femtosekundes lāzera apstrādes priekšrocības
Attīstoties modernai rūpniecībai, pieaug apstrādes precizitātes prasības, un viens no galvenajiem faktoriem, kas ietekmē lāzera apstrādes precizitāti, ir apstrādes sistēmas difrakcijas robeža. Difrakcijas robeža ir fizisks parametrs, kas apraksta optiskās sistēmas attēlveidošanas vai apstrādes precizitāti. Jo mazāka difrakcijas robeža, jo augstāka ir apstrādes precizitāte. Parasti difrakcijas robeža ir tieši proporcionāla krītošās gaismas viļņa garumam, tāpēc lāzera viļņa garuma samazināšana kļūst par vistiešāko un efektīvāko līdzekli difrakcijas robežas uzlabošanai. Piemēram, pašreizējā rūpniecībā plaši izmantotā ultravioleto litogrāfijas tehnoloģija ir uzlabot apstrādes precizitāti, samazinot lāzera viļņa garumu.
UV lāzers attiecas uz lāzeru, kura viļņa garums ir mazāks par 380 nm. Salīdzinājumā ar viļņa garumu, ko parasti izmanto femtosekundēlais lāzers (galvenokārt redzamās gaismas joslā, 380 nm-760nm), UV femtosekundē lāzera apstrādes precizitāte ir augstāka. Tajā pašā laikā ultravioletā femtosekundārā lāzera īsā viļņa garuma un viena fotona lielās enerģijas dēļ fotoni var tieši nogriezt molekulu vai atomu saistošās saites, kas būtībā ir fotoķīmiskā reakcija, būtībā bez kausēšanas fenomena, tādējādi termiskā efekta ietekmes ierobežošana. No otras puses, UV josla ir jutīga josla daudziem polimēriem, piemēram, fotorezistoriem. Šie polimēri radīs divu fotonu polimerizācijas efektu ultravioletā femtosekundārā lāzera apstarošanā, kas plūstošajam koloīdam polimerizējas cietā stāvoklī ar augstu mehānisko izturību. Pēc apstrādes fotorezistors tiks mazgāts, un tiks iegūta vēlamā struktūra. Izmantojot šo principu, var veikt īpaši smalku 3 D struktūras apstrādi.
Femtosekundes apstrādes raksturlielumi un priekšrocības vektora un virpuļplūsmas laukos
Tradicionālā femtosekundārā lāzera apstrāde galvenokārt koncentrējas uz lāzera enerģijas īpašībām. Materiālu nelineāro efektu izraisa femtosekundes lāzera lauka īpaši augstā enerģija, lai sasniegtu apstrādes mērķi. Gaismas un matērijas mijiedarbības procesā notiek ne tikai enerģijas absorbcija, bet arī impulsu apmaiņa, kas nozīmē, ka jaunais lāzera režīms var pilnībā izmantot savas priekšrocības femtosekundē.
Lauks Vektors un Virpuļplūsmas lauks ir divi no tipiskākajiem jaunajiem lāzera režīmiem. Viņu telpiskās topoloģiskās polarizācijas un fāzes īpašības padara lauku par īpašām fizikālām īpašībām. Piemēram, vektora lauks var saplūst ar fokusa punktu virs difrakcijas robežas, kas ir mazāks izmērs, tāpēc apstrādes precizitāte ir augstāka. No otras puses, fotona leņķiskais impulss, ko ved pats lauks, var apmainīt impulsu ar lietu. Piemēram, virpuļplūsmas gaismas lauks ar spirālveida fāzes struktūru nes fotona orbītas leņķisko impulsu, kas liek daļiņām griezties ap fiksēto asi; kreisās vai labās puses apļveida polarizētā gaisma nes fotona spin leņķa impulsu, kas var izraisīt daļiņu pagriešanos; vektora gaismas lauks, kura polarizācijas stāvoklis mainās līdz ar telpisko stāvokli, var parādīt mijiedarbību starp leņķisko impulsu. Tādā pašā veidā vektora un virpuļplūsmas lauku impulsu raksturlielumus var izmantot arī femtosekundē lāzera apstrādē, piemēram, virpuļplūsmas lauku izmantošana, lai ierosinātu hirālas struktūras, vektora lauku izmantošana, lai ierosinātu sarežģītus modeļus un tā tālāk.
Salīdzinājumā ar tradicionālo femtosekundāro lāzera apstrādi, vektora un virpuļplūsmas lauka femtosekundārā lāzera apstrāde, ko ražo lieljaudas ultravioleto lāzeru sistēma ar kontrolējamiem telpas un laika parametriem, padara apstrādes struktūru daudzveidīgu un sarežģītu. Projektējot gaismas lauka fāžu un polarizācijas sadalījumu, mēs varam iegūt dažādus virsmas modeļus un pat sarežģītu trīsdimensiju topoloģiju. Izmantojot femtosekundes lāzera impulsu formēšanas tehnoloģiju apvienojumā ar telpas-laika gaismas modulācijas tehnoloģiju un telpas-laika fokusēšanas tehnoloģiju, lai modulētu ultra ātru lāzera impulsu laika un frekvences jomā un realizētu trīsdimensiju mikro-nano apstrādi un praktisku pielietojumu dažādos materiālos. . Paredzams, ka šīm tehnoloģijām būs nozīmīga loma jaunajā integrētajā optikā un mikro nano-optikā.
Ultravioletās, vektoru un virpuļplūsmas femtosekundes gaismas lauku priekšrocības un iespējamie pielietojumi
Nepārtraukti attīstoties nozarei, tradicionālā femtosekundārā lāzera apstrādes tehnoloģija nevar apmierināt augošo rūpniecības pieprasījumu, tāpēc tā ir jāattīsta un jāoptimizē. UV femtosekundes lāzera apstrādes tehnoloģija ir efektīvs veids, kā uzlabot apstrādes precizitāti, un tai ir liela pielietojuma vērtība rūpnieciskajā ražošanā. Femtosekundes vektora un virpuļa lauka apstrādes tehnoloģija ir mainījusi tradicionālo vienas apstrādes režīmu, padarot lāzera apstrādi elastīgāku un daudzveidīgāku. Turklāt UV vektora un femtosekundes virpuļplūsmas apstrādes tehnoloģija ir arī gaismas un matērijas mijiedarbības teorijas prakse un pārbaude, kas palīdz atklāt dziļāku fizisko mehānismu un kam ir pozitīva zinātniska nozīme.