Apibrėžimas
Itin greitas lazeris yra itin intensyvių itin trumpų impulsų lazerio tipas, kurio impulso plotis yra mažesnis arba didesnis už pikosekundės lygį (2⁻⁸ s), kuris apibrėžiamas pagal energijos išėjimo bangos formą. Šis apibrėžimas susijęs su „itin greitais reiškiniais“. Itin greitas reiškinys reiškia reiškinį, kuris vyksta fiziniame, cheminiame ar biologiniame procese ir sparčiai kinta mikroskopinėje materijos sistemoje. Atominėje ir molekulinėje sistemoje atomų ir molekulių judėjimo laiko skalė yra nuo pikosekundžių iki femtosekundžių. Pavyzdžiui, molekulės sukimosi periodas yra pikosekundžių eilės, o virpesių periodas – femtosekundžių eilės. Kai lazerio impulso plotis pasiekia pikosekundės arba femtosekundės lygį, galima iš esmės išvengti įtakos bendram molekulių terminiam judėjimui (molekulių terminis judėjimas yra mikroskopinė materijos temperatūros esmė), o medžiaga generuojama pagal molekulių virpesių laiko skalę. Įtaka, siekiant apdorojimo tikslo, labai sumažina terminį efektą.
Tipai
Yra daug lazerių klasifikavimo metodų, iš kurių 4 dažniausiai naudojami klasifikavimo metodai: klasifikavimas pagal darbinę medžiagą, klasifikavimas pagal energijos išėjimo bangos formą (darbo režimą), klasifikavimas pagal išėjimo bangos ilgį (spalvą) ir klasifikavimas pagal galią.
Pagal energijos išėjimo bangos formą lazeriai skirstomi į nuolatinius, impulsinius ir kvazinotylinius lazerius:
Nepertraukiamas lazeris
Tai lazeris, kuris darbo valandomis nuolat skleidžia stabilias energijos bangų formas. Jam būdinga didelė galia ir jis gali apdoroti didelio tūrio ir aukštos lydymosi temperatūros medžiagas, tokias kaip metalinės plokštės.
Impulsinis lazeris
Jis skleidžia energiją impulsų pavidalu. Pagal impulsų plotį jį galima toliau suskirstyti į milisekundinius lazerius, mikrosekundinius lazerius, nanosekundinius išjungimo įtaisus, pikosekundinius lazerius, femtosekundinius lazerius ir attosekundinius lazerius; pavyzdžiui, jei impulsinis lazeris... Išėjimo lazerio impulsų plotis yra nuo 2 iki 2 ns, tai vadiname nanosekundiniais lazeriais ir pan. Mes vadiname pikosekundiniais lazeriais, femtosekundiniais lazeriais, attosekundiniais lazeriais ir ultragreitais lazeriais. Impulsinio lazerio galia yra daug mažesnė nei nuolatinio lazerio, tačiau apdorojimo tikslumas yra didesnis nei nuolatinio lazerio, ir apskritai, kuo siauresnis impulsų plotis, tuo didesnis apdorojimo tikslumas.
Kvazi-nuolatinės bangos lazeris
Jis gali pakartotinai generuoti santykinai didelės energijos lazerį per tam tikrą laikotarpį ir teoriškai yra impulsinis lazeris.
Trijų aukščiau paminėtų lazerių energijos išvesties bangų formas taip pat galima apibūdinti parametru „darbo ciklas“. Lazerio darbo ciklą galima interpretuoti kaip lazerio energijos išvesties laiko ir bendro impulso ciklo laiko santykį.
Nuolatinės bangos lazerio darbo ciklas (=1) > kvazi-nuolatinės bangos lazerio darbo ciklas > impulsinio lazerio darbo ciklas. Paprastai kuo siauresnis impulsinio lazerio impulso plotis, tuo mažesnis darbo ciklas.
Medžiagų apdirbimo srityje impulsiniai lazeriai iš pradžių buvo pereinamasis produktas nuo nuolatinių lazerių. Taip yra todėl, kad nuolatinių lazerių išėjimo galia negali būti labai didelė dėl tokių veiksnių kaip pagrindinių komponentų laikomoji galia ir ankstyvojo technologinio etapo įtaka, o medžiagos negalima kaitinti iki lydymosi temperatūros. Taip pasiekiamas apdorojimo tikslas. Jei tam tikros techninės priemonės naudojamos lazerio išėjimo energijai sutelkti į vieną impulsą, nors bendra lazerio galia nepasikeičia, momentinė galia impulso metu labai padidėja, o tai atitinka medžiagų apdirbimo reikalavimus. Vėliau nuolatinių lazerių technologija palaipsniui tobulėjo ir buvo nustatyta, kad impulsinis lazeris turi didelį pranašumą apdorojimo tikslumo srityje. Taip yra todėl, kad impulsinio lazerio terminis poveikis medžiagoms yra mažesnis, o kuo siauresnis lazerio impulso plotis, tuo mažesnis terminis poveikis ir kuo lygesnis apdirbamos medžiagos kraštas, tuo didesnis atitinkamas apdirbimo tikslumas.
komponentai
2 pagrindiniai ultragreitų lazerių reikalavimai: didelis ultratrumpų impulsų stabilumas ir didelė impulsų energija. Paprastai ultratrumpus impulsus galima gauti naudojant režimo fiksavimo technologiją, o didelę impulsų energiją – naudojant CPA stiprinimo technologiją. Pagrindiniai komponentai yra osciliatoriai, tempikliai, stiprintuvai ir kompresoriai. Iš jų osciliatorių ir stiprintuvų technologijos yra sudėtingiausios ir jos taip pat yra pagrindinė ultragreitų lazerių gamybos įmonės technologija.
Osciliatoriai
Osciliatoriuje itin greiti lazerio impulsai gaunami naudojant režimo fiksavimo techniką.
Neštukas
Tempiklis ištempia femto2nd sėklos impulsus laike skirtingais bangos ilgiais.
Stiprintuvas
Šiam ištemptam impulsui visiškai įjungti naudojamas čirpuotas stiprintuvas.
Kompresorius
Kompresorius sujungia sustiprintus skirtingų komponentų spektrus ir atkuria juos iki femto2 pločio, taip suformuodamas itin didelės momentinės galios femto2 lazerio impulsus.
Kur naudojamos
Lyginant su nano2nd ir millisekundiniais lazeriais, nors bendra itin sparčiųjų lazerių galia yra mažesnė, nes jie tiesiogiai veikia medžiagos molekulių virpesių laiko skalę, jie įgyvendina „šaltąjį apdorojimą“ tikrąja to žodžio prasme, todėl apdorojimo tikslumas gerokai padidėja.
Dėl skirtingų savybių didelio galingumo nepertraukiamo veikimo lazeriai, neultragreitieji impulsiniai lazeriai ir ultragreitieji lazeriai turi didelių skirtumų tolesnėse taikymo srityse:
Didelės galios nuolatinio veikimo lazeriai (ir kvazinotai veikiantys lazeriai) naudojami pjovimui, sukepinimui, suvirinimas, paviršiaus apdaila, gręžimas, 3D metalinių medžiagų spausdinimas.
Neultragreitieji impulsiniai lazeriai naudojami nemetalinių medžiagų žymėjimui, silicio medžiagų apdirbimui, precizinis graviravimas metalinių paviršių valymas, tikslus metalų suvirinimas, metalų mikroapdirbimas.
Itin greiti lazeriai naudojami skaidrių medžiagų, tokių kaip stiklas, PET ir safyras, bei kietų ir trapių medžiagų pjovimui ir suvirinimui, tikslus žymėjimas, oftalmologinė chirurgija, mikroskopinė medžiagų pasyvacija ir ėsdinimas.
Naudojimo požiūriu, didelės galios nuolatinės srovės lazeriai ir ultragreitieji lazeriai beveik neturi tarpusavio pakeičiamumo ryšio. Jie yra tarsi kirviai ir pincetai, o jų dydžiai turi savų privalumų ir trūkumų. Neultragreičių impulsinių lazerių taikymas tam tikru mastu sutampa su nuolatinių ir ultragreičių lazerių taikymu. Remiantis faktiniais rezultatais, esant tam pačiam pritaikymui, jų galia nėra tokia gera kaip nuolatinių lazerių, o tikslumas nėra toks geras kaip ultragreičių lazerių. Svarbiausia yra kainos ir kokybės santykis.
Ypač nano2-asis ultravioletinis lazeris, nors jo impulsų plotis nepasiekia piko2-ojo lygio, tačiau apdorojimo tikslumas yra gerokai patobulintas, palyginti su kitais spalvotais nano2-aisiais lazeriais, plačiai naudojamas 3C gaminių apdorojime ir gamyboje. Ateityje, mažėjant itin greitų lazerių kainai, jis gali užimti nano2-ojo ultravioletinio lazerio rinką.
Itin greiti lazeriai realiai realizuoja šaltąjį apdorojimą ir turi didelių pranašumų tiksliojo apdorojimo srityje. Tobulėjant itin greitų lazerių gamybos technologijai, jų kaina palaipsniui mažėja. Tikimasi, kad ateityje jie bus plačiai naudojami medicinos biologijoje, aviacijos ir kosmoso, plataus vartojimo elektronikos, apšvietimo ekranų, energetikos aplinkos, tiksliųjų mašinų ir kitose pramonės šakose.
Medicininė kosmetologija
Itin greiti lazeriai gali būti naudojami medicininėje akių chirurgijos įrangoje ir kosmetiniuose prietaisuose. Femto2 lazeris naudojamas trumparegystės chirurgijoje ir yra žinomas kaip „dar viena refrakcinės chirurgijos revoliucija“ po bangos fronto aberacijos technologijos. Trumparegystės pacientų akies ašis yra didesnė nei normali akies ašis, todėl akies obuolio atsipalaidavimo būsenoje lygiagrečių šviesos spindulių židinys po refrakcijos akies refrakcijos sistemoje patenka prieš tinklainę. Femto2 lazerio chirurgija gali pašalinti raumenų perteklių ašinėje dimensijoje ir atkurti normalų ašinį atstumą. Femto2 lazerio chirurgija pasižymi dideliu tikslumu, dideliu saugumu, dideliu stabilumu, trumpu operacijos laiku ir dideliu komfortu, todėl tapo vienu iš labiausiai paplitusių trumparegystės chirurgijos metodų.
Kalbant apie grožį, itin greiti lazeriai gali būti naudojami pigmentui ir vietiniams apgamams šalinti, tatuiruotėms šalinti ir odos senėjimui gerinti.
Buitinė elektronika
Itin greiti lazeriai tinka kietų ir trapių skaidrių medžiagų apdirbimui, plonų plėvelių apdirbimui, tiksliam žymėjimui ir kt. plataus vartojimo elektronikos gamybos procese. Mobiliųjų telefonų grūdintas stiklas ir safyras yra tipiškos kietos, trapios ir skaidrios medžiagos plataus vartojimo elektronikos žaliavose, ypač safyre, dėl didelio kietumo ir trapumo tradicinių apdirbimo metodų efektyvumas ir našumas yra labai maži; safyras dabar plačiai naudojamas išmaniuosiuose laikrodžiuose, mobiliųjų telefonų kamerų dėkluose, pirštų atspaudų modulių dėkluose ir kt.; nano2-asis ultravioletinis lazeris ir itin greitas lazeris šiuo metu yra pagrindinės techninės priemonės safyrui pjauti, o itin greito lazerio apdorojimo efektas yra geresnis nei ultravioletinio nano2-ojo lazerio. Be to, kamerų modulių ir pirštų atspaudų modulių apdorojimo metodai daugiausia yra nano2-asis ir piko2-asis lazeriai. Lanksčių mobiliųjų telefonų ekranų (sulankstomų ekranų) pjovimui ir atitinkamiems... 3D Ateityje, gręžiant stiklą, pagrindinė technologija greičiausiai bus itin greiti lazeriai.
Itin greiti lazeriai taip pat yra svarbūs plokščių gamyboje. Itin greiti lazeriai gali būti naudojami OLED poliarizatorių pjovimui, lupimui ir taisymui LCD/OLED gamybos metu.
OLED atveju jų polimerinės medžiagos yra ypač jautrios terminiam poveikiui. Be to, šiuo metu gaminamų elementų dydis ir atstumai yra labai maži, o likęs apdorojimo dydis taip pat labai mažas. Tradicinis pjovimo procesas, kaip anksčiau, šiandien nebetinka. Pramonės gamybos poreikiai ir dabar yra specialios formos ekranų ir perforuotų ekranų taikymo reikalavimai, kurie viršija tradicinių amatų galimybes. Tokiu būdu atsispindi itin greitų lazerių privalumai, ypač piko-2-ojo ultravioletinio arba net femto-2-ojo lazerio, kuris turi mažą karščio paveiktą zoną ir labiau tinka lankstesnėms reikmėms, tokioms kaip kreivių apdirbimas.
Mikro suvirinimas
Skaidriose kietose terpėse, tokiose kaip stiklas, ultratrumpų impulsų lazeriui sklindant terpėje, gali pasireikšti įvairūs reiškiniai, tokie kaip netiesinė absorbcija, lydymosi pažeidimai, plazmos susidarymas, abliacija ir pluošto sklidimas. Paveiksle parodyti įvairūs reiškiniai, kurie atsiranda ultratrumpų impulsų lazerio ir kietos medžiagos sąveikoje esant skirtingam galios tankiui ir laiko skalėms.
Kadangi itin trumpų impulsų lazerinio mikrosuvirinimo technologijai nereikia įterpti tarpinio sluoksnio, ji pasižymi dideliu efektyvumu, dideliu tikslumu, neturi makroskopinio terminio poveikio ir po mikrosuvirinimo apdorojimo pasižymi santykinai idealiomis mechaninėmis ir optinėmis savybėmis, ji labai tinka skaidrių medžiagų, tokių kaip stiklas, mikrosuvirinimui. Pavyzdžiui, tyrėjai sėkmingai suvirino galinius dangtelius prie standartinių ir mikrostruktūrinių optinių skaidulų, naudodami 70 fs, 250 kHz impulsus.
Ekrano apšvietimas
Itin greitų lazerių taikymas ekranų apšvietimo srityje daugiausia susijęs su LED plokštelių raižymu ir pjovimu. Tai dar vienas itin greitų lazerių, tinkamų kietoms ir trapioms medžiagoms apdirbti, pavyzdys. Itin greitas lazerinis apdorojimas pasižymi dideliu skerspjūvio plokštumu ir žymiai sumažintu kraštų nuskilinėjimu. Efektyvumas ir tikslumas gerokai padidėja.
Fotovoltinė energija
Itin greiti lazeriai plačiai taikomi fotovoltinių elementų gamyboje. Pavyzdžiui, gaminant CIGS plonasluoksnes baterijas, itin greiti lazeriai gali pakeisti originalų mechaninį įbrėžimo procesą ir žymiai pagerinti įbrėžimo kokybę, ypač P2 ir P3 įbrėžimo jungčių atveju, nes beveik nėra nuskilinėjimo, įtrūkimų ir liekamųjų įtempių.
Aviacija
Siekiant pagerinti turbinų menčių našumą ir tarnavimo laiką, o vėliau ir variklio našumą, būtina diegti oro plėvelės aušinimo technologiją, kuri kelia itin aukštus reikalavimus oro plėvelės skylių apdorojimo technologijai. 2018 m. Siano optikos ir mechanikos institutas sukūrė didžiausios vieno impulso energijos lazerį Kinijoje. 26 vatų pramoninės klasės femto2-asis pluošto lazeris ir sukurta itin greitų lazerių ekstremalaus gamybos įrangos serija pasiekė proveržį „šaltojo apdorojimo“ srityje, užpildydami buitinę spragą. Šis apdorojimo metodas yra pažangesnis nei EDM. Metodo tikslumas yra didesnis, o našumas gerokai padidėja.
Itin greiti lazeriai taip pat gali būti taikomi tiksliam pluoštu armuotų kompozicinių medžiagų apdirbimui, o apdirbimo tikslumo pagerinimas padės išplėsti kompozicinių medžiagų, tokių kaip anglies pluoštas, taikymą aviacijos ir kosmoso bei kitose aukštos klasės srityse.
Tyrimų laukas
2-fotonų polimerizacijos technologija (2PP) yra „nanooptinė“ 3D spausdinimo metodas, panašus į šviesoje kietėjančio greito prototipų kūrimo technologiją, ir futuristas Christopheris Barnattas mano, kad ši technologija gali tapti pagrindine forma 3D spausdinimas ateityje. 2 fotonų polimerizacijos technologijos principas yra selektyviai kietinti šviesai jautrią dervą naudojant „femto2 impulsinį lazerį“. Tai skamba kaip greitas prototipų kūrimas foto kietinimo būdu, skirtumas tas, kad minimalus sluoksnio storis ir XY ašies skiriamoji geba, kurią gali pasiekti 2 fotonų polimerizacijos technologija, yra nuo 100 nm iki 200 nm. Kitaip tariant, 2PP 3D Spausdinimo technologija yra šimtus kartų tikslesnė nei tradicinė šviesoje kietėjančio liejimo technologija, o atspausdinti daiktai yra mažesni už bakterijas.
Šiuo metu itin greitų lazerių kaina vis dar yra gana didelė. Būdama šios pramonės pradininke, STYLECNC jau gamina itin greito lazerinio apdorojimo įrangą ir sulaukė gerų rinkos atsiliepimų. Pristatyta itin greita lazerio technologija pagrįsta lazerinio tikslaus pjovimo įranga OLED moduliams, itin greita (pikosekundinė/femtosekundinė) lazerinio žymėjimo įranga, stiklo nuožulninimo lazerinio apdorojimo įranga piko2-ojo infraraudonųjų spindulių ekranams ir piko2-ojo infraraudonųjų spindulių stiklo plokštelės. Lazerinio pjovimo įranga, LED automatinis nematomas kubelių pjaustymo įrenginys, puslaidininkinė plokštelė. lazerio pjovimo staklės, stiklinių dangčių pjovimo įranga pirštų atspaudų identifikavimo moduliams, lanksčios ekranų masinės gamybos linijos ir itin greitų lazerinių gaminių serija.
Pliusai, minusai
Argumentai "už"
Itin greitas lazeris yra viena iš svarbių lazerių srities plėtros krypčių. Kaip besiformuojanti technologija, ji turi didelių pranašumų tiksliame mikroapdirbime. Itin greito lazerio generuojamas itin trumpas impulsas labai trumpą laiką sąveikauja su medžiaga ir nešildo aplinkinių medžiagų, todėl itin greitas lazerinis apdorojimas dar vadinamas šaltuoju apdorojimu. Taip yra todėl, kad kai lazerio impulsų plotis pasiekia pikosekundės arba femtosekundės lygį, galima iš esmės išvengti įtakos molekulių terminiam judėjimui, todėl terminė įtaka yra mažesnė.
Pavyzdžiui, pjaustydami konservuotus kiaušinius buku virtuviniu peiliu, dažnai juos supjaustome smulkiais gabalėliais. Jei pasirinksite pjaustymo būdą su ypač aštriu peilio ašmeniu, kuris greitai supjausto netvarką, konservuoti kiaušiniai bus supjaustyti tolygiai ir gražiai. Tai yra itin greito apdorojimo privalumas.
Trūkumai
Aukštos klasės gamybos pramonės šakos, tokios kaip integrinių grandynų ir plokščių gamyba, kelia itin aukštus reikalavimus lazerinio apdorojimo įrangai, todėl kyla rizika, kad technologiniai proveržiai neatitiks lūkesčių.
Itin greitų lazerių kaina yra didelė, todėl perėjimas prie naujo lazerių tiekėjo rizikuoja, kad tiek lazerinės įrangos gamintojai, tiek ir dauguma vartotojų negalės išplėsti rinkos, kaip tikėtasi.
