Laser sa považuje za jeden z najväčších vynálezov v 20 storočí. Po ukončení troch priemyselných revolúcií bude laser kľúčom k vedeniu štvrtej priemyselnej revolúcie. Výskyt laserov výrazne podporil rozvoj priemyslu. Laser sa stal najvyspelejším a najpoužívanejším prostriedkom pri obrábaní kvôli svojim výhodám, ako je vysoký výkon, ľahké zaostrenie, vysoký jas a dobrá smerovateľnosť. Laserové spracovanie má výhody vysokej presnosti, vysokej rýchlosti a nízkej ceny. Môže byť automaticky riadená počítačovým programovaním. Môže spracovávať štruktúru s komplexným tvarom. Pretože ide o bezkontaktné spracovanie, nepoškodí materiál a je bezpečný a spoľahlivý.
Klasifikácia a vlastnosti laserového spracovania
Podľa mechanizmu interakcie medzi laserom a látkou je možné laserové spracovanie rozdeliť do dvoch kategórií: laserové tepelné spracovanie a ne-tepelné spracovanie. Druhy laserov používaných pri tepelnom a ne tepelnom spracovaní sú rôzne. Dlhodobý pulzný laser alebo kontinuálny laser sa zvyčajne používa pri tepelnom spracovaní a ultrashortový pulzný laser, ako je pikosekunda a femtosekunda, sa zvyčajne používa pri ne-tepelnom spracovaní.
Laserové tepelné spracovanie využíva tepelný efekt, ktorý vzniká pri laserovom ožarovaní materiálov. Molekulárny systém ožarovaných materiálov musí neustále získavať energiu z laserového ožarovania a konvertovať ju na svoju vlastnú vnútornú energiu. Teplota ožiarenej oblasti prudko stúpa, aby sa dosiahla teplota topenia a teplota varu materiálov, topenie a odstránenie a aby sa dosiahol účel spracovania. Pretože premena energie lasera na vnútornú energiu molekulárneho systému trvá dlho, často sa pri tepelnom spracovaní často používa dlhý pulzný laser. Tento spôsob spracovania je jednoduchý a priamy a bol široko používaný v priemyselnej výrobe, ako je laserové rezanie, výroba laserových aditív atď. Avšak v dôsledku nevyhnutnej tepelnej difúzie pri spracovaní je presnosť a drsnosť tepelného spracovania laserom obmedzená.
Pri netermálnom spracovaní sa majú využívať nelineárne účinky (napríklad nelineárna ionizácia, rozptyl povrchu atď.) Spôsobené narušením elektronického systému materiálov, prechodom a ionizáciou fotónov absorbujúcich elektróny, fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami Materiály sú indukované k zmene, čo vedie k vytvoreniu niektorých nových efektov (ako je dvojfotónová polymerizácia, laserová montáž, atď.), pomocou týchto nových efektov na dosiahnutie zvýšenia Účel presnosti obrábania a optimalizácie. Pretože výmena energie medzi elektrónovým systémom a laserom môže byť dokončená v okamihu, pri ne-tepelnom spracovaní sa obvykle používa pulzný laser s ultrakrátkou dobou. Táto metóda má vysokú presnosť a rôzne metódy spracovania, čo je jeden z výskumných bodov v oblasti laserového spracovania.
Výhody a nevýhody tradičného femtosekundového laserového spracovania
Extrémne vysoký špičkový výkon a extrémne krátka doba trvania impulzu sú dve hlavné výhody femtosekundového lasera. Extrémne vysoký špičkový výkon je dostatočný na vyvolanie rôznych nelineárnych účinkov, ktoré obohacujú metódy laserového spracovania. Vďaka ultrarýchlym časovým charakteristikám je proces interakcie medzi femtosekundovým laserom a materiálmi veľmi krátky. Svetelná energia absorbovaná oblasťou laserového ožarovania sa nedá preniesť ani do iných oblastí, aby sa zaistilo, že laserová energia sa môže presne uložiť v rozsahu ožarovania a uskutočniť ultrajemné spracovanie.
V súčasnosti je femtosekundový laser široko používaný v oblasti mikro a nano spracovania, hlavne vrátane priameho laserového písania a laserovej masky. V dôsledku difrakčnej hranice obrábacieho systému však nie je možné bez obmedzenia obmedziť oblasť laserového ožarovania, čo obmedzuje ďalšie zlepšenie presnosti obrábania. Súčasne, vzhľadom na rôzne nelineárne charakteristiky rôznych materiálov, má femtosekundové laserové spracovanie silnú závislosť od materiálov. Rovnaký spôsob spracovania často vykazuje rôzne efekty spracovania pre rôzne materiály.
Výhody ultrafialového femtosekundového laserového spracovania
S rozvojom moderného priemyslu sa zvyšuje požiadavka na presnosť obrábania a jedným z hlavných faktorov ovplyvňujúcich presnosť laserového obrábania je difrakčný limit obrábacieho systému. Difrakčný limit je fyzikálny parameter opisujúci presnosť zobrazenia alebo spracovania optického systému. Čím je difrakčný limit menší, tým vyššia je presnosť spracovania. Všeobecne je difrakčný limit priamo úmerný vlnovej dĺžke dopadajúceho svetla, takže zníženie laserovej vlnovej dĺžky sa stáva najpriamejším a najúčinnejším prostriedkom na zlepšenie difrakčného limitu. Napríklad technológia UV litografie široko používaná v súčasnom priemysle je zlepšiť presnosť spracovania znížením laserovej vlnovej dĺžky.
UV laser označuje laser, ktorého vlnová dĺžka je menšia ako 380 nm. V porovnaní s vlnovou dĺžkou bežne používanou vo femtosekundovom lasere (hlavne v pásme viditeľného svetla, 380 nm-760 nm) je presnosť spracovania UV femtosekundového lasera vyššia. Súčasne môžu fotóny vďaka krátkej vlnovej dĺžke ultrafialového femtosekundového lasera a veľkej energii jedného fotónu priamo prerušiť väzbové väzby molekúl alebo atómov, čo je v podstate fotochemická reakcia, v podstate bez javu topenia, teda obmedzovanie vplyvu tepelného účinku. Na druhej strane UV pás je citlivý pás mnohých polymérov, ako sú fotorezisty. Tieto polyméry budú produkovať dvojfotónový polymerizačný účinok pri ožarovaní ultrafialovým femtosekundovým laserom, ktorý spôsobuje, že tečúci koloid polymerizuje na pevnú látku s vysokou mechanickou pevnosťou. Po spracovaní sa fotorezist odplaví a získa sa požadovaná štruktúra. Použitím tohto princípu je možné vykonať veľmi jemné spracovanie 3 D štruktúry.
Charakteristika a výhody femtosekundového obrábania vo vektorových a vírových poliach
Tradičné femtosekundové laserové spracovanie sa zameriava hlavne na energetické charakteristiky lasera. Nelineárny účinok materiálov je indukovaný ultra-vysokou energiou femtosekundového laserového poľa, aby sa dosiahol účel spracovania. V procese interakcie medzi svetlom a hmotou nie je len absorpcia energie, ale aj výmena hybnosti, čo znamená, že nový laserový režim môže dať plné výhody svojim výhodám v oblasti femtosekundového spracovania.
Vektorové pole a vírivé pole sú dva z najtypickejších nových laserových režimov. Ich priestorové topologické charakteristiky polarizácie a fázy spôsobujú, že pole má niektoré špeciálne fyzikálne vlastnosti. Napríklad vektorové pole sa môže zbiehať na ohnisko za difrakčný limit, ktorý je menší, takže presnosť obrábania je vyššia. Na druhej strane, moment hybnosti fotónu prenášaný samotným poľom si môže vymieňať moment s hmotou. Napríklad vírivé svetelné pole so štruktúrou špirálovej fázy nesie fotonovú orbitálnu uhlovú hybnosť, ktorá poháňa častice rotovať okolo pevnej osi; ľavotočivé alebo pravotočivé kruhovo polarizované svetlo nesie rotačnú uhlovú hybnosť fotónu, ktorá môže indukovať rotáciu častíc; svetelné pole vektora, ktorého polarizačný stav sa mení s priestorovou polohou, môže ukázať interakciu medzi hybnou hybnosťou. Rovnakým spôsobom sa môžu charakteristiky hybnosti vektorových a vírových polí použiť aj pri femtosekundovom laserovom spracovaní, ako je napríklad použitie vírových polí na vyvolanie chirálnych štruktúr, použitie vektorových polí na vyvolanie zložitých vzorov atď.
V porovnaní s tradičným femtosekundovým laserovým spracovaním diverzifikuje a komplikuje štruktúra vektorového a vírového poľa femtosekundové laserové spracovanie produkované vysoko výkonným ultrafialovým laserovým systémom s regulovateľnými časopriestorovými charakteristikami. Navrhovaním fázového a polarizačného rozdelenia svetelného poľa môžeme získať rôzne povrchové vzory a dokonca aj zložitú trojrozmernú topológiu. Využívajúc technológiu femtosekundového laserového tvarovania impulzov kombinovanú s technológiou modulácie svetelného času v čase a technológiou priestorovo-časového zaostrovania na moduláciu ultrarýchlyho laserového impulzu v časovej oblasti a vo frekvenčnej oblasti, a na uskutočnenie trojrozmerného spracovania mikro nanomateriálov a praktickú aplikáciu v rôznych materiáloch. , Očakáva sa, že tieto technológie budú hrať dôležitú úlohu v novej integrovanej optike a mikro-nanooptike.
Výhody a potenciálne aplikácie ultrafialového, vektorového a vírového femtosekundového svetelného poľa
S neustálym rozvojom priemyslu nemôže tradičná technológia femtosekundového laserového spracovania uspokojiť rastúci priemyselný dopyt, a preto sa musí vyvíjať a optimalizovať. Technológia UV femtosekundového laserového spracovania je efektívny spôsob, ako zlepšiť presnosť spracovania a má veľkú aplikačnú hodnotu v priemyselnej výrobe. Technológia femtosekundového laserového spracovania vektora a vírového poľa zmenila tradičný režim jediného spracovania, vďaka čomu je laserové spracovanie flexibilnejšie a rozmanitejšie. Technológia UV vektorového a vírového femtosekundového laserového spracovania je tiež praxou a overovaním teórie interakcie medzi svetlom a hmotou, ktorá pomáha odhaliť hlbší fyzikálny mechanizmus a má pozitívny vedecký význam.