Definizione
Il laser ultraveloce è un tipo di laser a impulsi ultra-corti ultra-intensi con larghezza di impulso inferiore o entro il livello di pico2nd (10-12s), che è definito in base alla forma d'onda di uscita dell'energia. Questa definizione è correlata ai "fenomeni ultraveloci". Il fenomeno ultraveloce si riferisce a un fenomeno che si verifica in un processo fisico, chimico o biologico che cambia rapidamente nel sistema microscopico della materia. Nel sistema atomico e molecolare, la scala temporale del movimento di atomi e molecole è nell'ordine dei picosecondi ai femtosecondi. Ad esempio, il periodo di rotazione molecolare è nell'ordine dei picosecondi e il periodo di vibrazione è nell'ordine dei femtosecondi. Quando la larghezza di impulso laser raggiunge il livello di pico2nd o femtosecondo, può ampiamente evitare l'influenza sul movimento termico complessivo delle molecole (il movimento termico delle molecole è l'essenza microscopica della temperatura della materia) e il materiale viene generato sulla scala temporale della vibrazione molecolare. Influenza, in modo che mentre si raggiunge lo scopo dell'elaborazione, l'effetto termico è notevolmente ridotto.
Tipi
Esistono molti metodi di classificazione per i laser, tra cui i 4 metodi di classificazione più comunemente utilizzati, tra cui la classificazione in base alla sostanza di lavoro, la classificazione in base alla forma d'onda di energia in uscita (modalità di lavoro), la classificazione in base alla lunghezza d'onda di uscita (colore) e la classificazione in base alla potenza.
Tra questi, in base alla forma d'onda dell'energia in uscita, i laser possono essere suddivisi in laser continui, laser pulsati e laser quasi continui:
Laser continuo
È un laser che emette continuamente forme d'onda di energia stabili durante le ore di lavoro. È caratterizzato da elevata potenza e può elaborare materiali con grande volume e alto punto di fusione, come piastre metalliche.
Laser pulsato
Emette energia sotto forma di impulsi. In base alla larghezza dell'impulso, può essere ulteriormente suddiviso in laser milli2nd, laser micro2nd, dispositivi di spegnimento nano2nd, laser pico2nd, laser femto2nd e laser atto2nd; ad esempio, se un laser a impulsi La larghezza dell'impulso del laser in uscita è compresa tra 1 e 1000 ns, che chiamiamo laser nano2nd e così via. Chiamiamo laser pico2nd, laser femto2nd, laser atto2nd e laser ultraveloci. La potenza del laser pulsato è molto inferiore a quella del laser continuo, ma la precisione di elaborazione è superiore a quella del laser continuo e, in generale, più stretta è la larghezza dell'impulso, maggiore è la precisione di elaborazione.
Laser quasi-CW
Può emettere ripetutamente un laser ad alta energia entro un certo periodo di tempo e, in teoria, è anche un laser a impulsi.
Le forme d'onda di energia in uscita dei 3 laser sopra menzionati possono anche essere descritte dal parametro "ciclo di lavoro". Per un laser, il ciclo di lavoro può essere interpretato come il rapporto tra il tempo di uscita dell'energia laser rispetto al tempo totale all'interno di un ciclo di impulsi.
Ciclo di lavoro laser CW (=1) > ciclo di lavoro laser quasi-CW > ciclo di lavoro laser pulsato. In genere, più stretta è la larghezza di impulso del laser pulsato, più basso è il ciclo di lavoro.
Nel campo della lavorazione dei materiali, i laser pulsati erano inizialmente un prodotto di transizione dei laser continui. Questo perché la potenza di uscita dei laser continui non può essere molto elevata a causa dell'influenza di fattori come la capacità portante dei componenti principali e il livello di tecnologia nella fase iniziale, e il materiale non può essere riscaldato fino al punto di fusione. Quanto sopra raggiunge lo scopo della lavorazione. Se vengono utilizzati determinati mezzi tecnici per concentrare l'energia di uscita del laser su un singolo impulso, in modo che sebbene la potenza totale del laser non cambi, la potenza istantanea al momento dell'impulso sia notevolmente aumentata, il che soddisfa i requisiti della lavorazione dei materiali. Successivamente, la tecnologia laser continua è gradualmente maturata e si è scoperto che il laser pulsato ha un grande vantaggio nella precisione di lavorazione. Questo perché l'effetto termico del laser pulsato sui materiali è minore e più stretta è la larghezza dell'impulso laser, minore è l'effetto termico e più liscio è il bordo del materiale lavorato, la corrispondente precisione di lavorazione è maggiore.
Componenti
2 requisiti fondamentali dei laser ultraveloci: impulso ultrabreve ad alta stabilità e alta energia dell'impulso. In genere, gli impulsi ultrabrevi possono essere ottenuti utilizzando la tecnologia mode-locking, mentre l'energia dell'impulso elevata può essere ottenuta utilizzando la tecnologia di amplificazione CPA. I componenti fondamentali coinvolti includono oscillatori, stretcher, amplificatori e compressori. Tra questi, la tecnologia dell'oscillatore e dell'amplificatore è la più difficile e rappresenta anche la tecnologia fondamentale di un'azienda produttrice di laser ultraveloci.
Oscillatore
Nell'oscillatore, gli impulsi laser ultraveloci vengono ottenuti utilizzando una tecnica di mode-locking.
Barella
Lo stretcher dilata gli impulsi del seme femto2nd in modo diverso nel tempo, secondo diverse lunghezze d'onda.
Amplificatore
Per energizzare completamente questo impulso allungato viene utilizzato un amplificatore cinguettante.
Compressore
Il compressore riunisce gli spettri amplificati di diversi componenti e li riporta alla larghezza femto2, formando così impulsi laser femto2 con potenza istantanea estremamente elevata.
Applicazioni
Rispetto ai laser nano2nd e milli2nd, sebbene la potenza complessiva dei laser ultraveloci sia inferiore, poiché agiscono direttamente sulla scala temporale delle vibrazioni molecolari dei materiali, realizzano una "lavorazione a freddo" nel vero senso della parola, quindi la precisione della lavorazione è notevolmente migliorata.
A causa delle diverse caratteristiche, i laser continui ad alta potenza, i laser pulsati non ultraveloci e i laser ultraveloci presentano grandi differenze nei campi di applicazione a valle:
I laser continui ad alta potenza (e i laser quasi continui) vengono utilizzati per il taglio, la sinterizzazione, saldatura, rivestimento superficiale, foratura, 3D stampa di materiali metallici.
I laser pulsati non ultraveloci vengono utilizzati per la marcatura di materiali non metallici, la lavorazione di materiali al silicio, incisione di precisione di superfici metalliche, pulizia di superfici metalliche, saldatura di precisione di metalli, microlavorazione di metalli.
I laser ultraveloci vengono utilizzati per il taglio e la saldatura di materiali trasparenti come vetro, PET e zaffiro e materiali duri e fragili, marcatura di precisione, chirurgia oftalmica, passivazione microscopica e incisione dei materiali.
Dal punto di vista dell'utilizzo, i laser CW ad alta potenza e i laser ultraveloci non hanno quasi nessuna relazione di sostituzione reciproca. Sono come asce e pinzette e le loro dimensioni hanno i loro vantaggi e svantaggi. Le applicazioni downstream dei laser pulsati non ultraveloci hanno una certa sovrapposizione con i laser continui e i laser ultraveloci. Dai risultati effettivi, nella stessa applicazione, la sua potenza non è buona come quella dei laser continui e la sua precisione non è buona come quella dei laser ultraveloci. Il più importante è il rapporto costi-prestazioni.
In particolare il laser nano2nd ultravioletto, sebbene la sua larghezza di impulso non raggiunga il livello pico2nd, ma la precisione di elaborazione è notevolmente migliorata rispetto ad altri laser nano2nd a colori, è stato ampiamente utilizzato nell'elaborazione e nella produzione di prodotti 3C. In futuro, man mano che il costo dei laser ultraveloci diminuisce, potrebbe occupare il mercato nano2nd ultravioletto.
I laser ultraveloci realizzano la lavorazione a freddo in senso reale e hanno vantaggi significativi nella lavorazione di precisione. Man mano che la tecnologia di produzione dei laser ultraveloci matura gradualmente, il costo diminuisce gradualmente. In futuro, si prevede che saranno ampiamente utilizzati in biologia medica, aerospaziale, elettronica di consumo, display di illuminazione, ambiente energetico, macchinari di precisione e altre industrie a valle.
Cosmetologia medica
I laser ultraveloci possono essere utilizzati in apparecchiature per la chirurgia oculare medica e dispositivi cosmetici. Il laser Femto2nd è utilizzato nella chirurgia della miopia ed è noto come "un'altra rivoluzione nella chirurgia refrattiva" dopo la tecnologia dell'aberrazione del fronte d'onda. L'asse oculare dei pazienti miopi è più grande dell'asse oculare normale, così che nello stato di rilassamento del bulbo oculare, la messa a fuoco dei raggi luminosi paralleli dopo la rifrazione da parte del sistema refrattivo dell'occhio cade davanti alla retina. La chirurgia laser Femto2nd può rimuovere il muscolo in eccesso nella dimensione assiale e ripristinare la distanza assiale alla normalità. La chirurgia laser Femto2nd ha i vantaggi di elevata precisione, elevata sicurezza, elevata stabilità, breve tempo di intervento ed elevato comfort, ed è diventato uno dei metodi di chirurgia della miopia più diffusi.
In termini di bellezza, i laser ultraveloci possono essere utilizzati per rimuovere il pigmento e i nei nativi, rimuovere i tatuaggi e migliorare l'invecchiamento della pelle.
Elettronica di consumo
I laser ultraveloci sono adatti per la lavorazione di materiali trasparenti duri e fragili, lavorazione di pellicole sottili, marcatura di precisione, ecc. nel processo di produzione di elettronica di consumo. Il vetro temperato per telefoni cellulari e lo zaffiro sono materiali rappresentativi duri, fragili e trasparenti nelle materie prime per l'elettronica di consumo, in particolare lo zaffiro, a causa della sua elevata durezza e elevata fragilità, l'efficienza e il tasso di resa dei metodi di lavorazione tradizionali sono molto bassi; lo zaffiro è ora ampiamente utilizzato È ampiamente utilizzato negli smartwatch, nelle cover delle fotocamere dei telefoni cellulari, nelle cover dei moduli per impronte digitali, ecc.; il laser ultravioletto nano2nd e il laser ultraveloce sono i principali mezzi tecnici per tagliare lo zaffiro al momento e l'effetto di lavorazione del laser ultraveloce è migliore di quello del laser ultravioletto nano2nd. Inoltre, i metodi di lavorazione utilizzati dai moduli della fotocamera e dai moduli per impronte digitali sono principalmente laser nano2nd e pico2nd. Per il taglio di schermi flessibili per telefoni cellulari (schermi pieghevoli) e i corrispondenti 3D Per quanto riguarda la perforazione del vetro, in futuro la tecnologia prevalente sarà molto probabilmente quella basata su laser ultraveloci.
I laser ultraveloci hanno anche importanti applicazioni nella produzione di pannelli. I laser ultraveloci possono essere utilizzati per tagliare i polarizzatori OLED, spellarli e ripararli durante la produzione di LCD/OLED.
Per gli OLED, i suoi materiali polimerici sono particolarmente sensibili alle influenze termiche. Inoltre, le dimensioni e la spaziatura delle celle attualmente realizzate sono molto piccole e anche le dimensioni di lavorazione rimanenti sono molto piccole. Il tradizionale processo di fustellatura come prima non è più adatto per oggi. Le esigenze di produzione dell'industria e ora ci sono requisiti applicativi per schermi di forma speciale e schermi perforati, che vanno oltre le capacità dell'artigianato tradizionale. In questo modo, si riflettono i vantaggi dei laser ultraveloci, in particolare i laser pico2nd ultravioletti o persino femto2nd, che hanno una piccola zona termicamente alterata e sono più adatti per applicazioni più flessibili come l'elaborazione delle curve.
Microsaldatura
Per i supporti solidi trasparenti come il vetro, si verificheranno vari fenomeni come assorbimento non lineare, danni da fusione, formazione di plasma, ablazione e propagazione di fibre quando il laser a impulsi ultracorti si propaga nel supporto. La figura mostra vari fenomeni che si verificano nell'interazione tra laser a impulsi ultracorti e materiale solido a diverse densità di potenza e scale temporali.
Poiché la tecnologia di microsaldatura laser a impulsi ultra-corti non necessita di inserire uno strato intermedio, ha un'elevata efficienza, un'elevata precisione, nessun effetto termico macroscopico e ha proprietà meccaniche e ottiche relativamente ideali dopo il trattamento di microsaldatura, è molto adatta per la microsaldatura di materiali trasparenti come il vetro. Ad esempio, i ricercatori hanno saldato con successo i terminali a fibre ottiche standard e microstrutturate utilizzando impulsi da 70 fs, 250 kHz.
Illuminazione display
L'applicazione dei laser ultraveloci nel campo dell'illuminazione dei display si riferisce principalmente alla tracciatura e al taglio di wafer LED. Questo è un altro esempio di laser ultraveloci adatti alla lavorazione di materiali duri e fragili. La lavorazione laser ultraveloce ha un'elevata planarità della sezione trasversale e una scheggiatura dei bordi notevolmente ridotta. L'efficienza e la precisione sono notevolmente migliorate.
Energia Fotovoltaica
I laser ultraveloci hanno un ampio spazio di applicazione nella produzione di celle fotovoltaiche. Ad esempio, nella produzione di batterie a film sottile CIGS, i laser ultraveloci possono sostituire il processo di incisione meccanica originale e migliorare significativamente la qualità dell'incisione, in particolare per i collegamenti di incisione P2 e P3, che possono ottenere quasi nessuna scheggiatura e nessuna crepa e stress residuo.
Aeronautico
Per migliorare le prestazioni e la durata delle pale della turbina, e quindi migliorare le prestazioni del motore, è necessario adottare la tecnologia di raffreddamento a pellicola d'aria, che pone requisiti estremamente elevati per la tecnologia di elaborazione dei fori a pellicola d'aria. Nel 2018, lo Xi'an Institute of Optics and Mechanics ha sviluppato la più alta energia a impulso singolo in Cina. Il laser a fibra femto26nd di livello industriale da 2 watt e ha sviluppato una serie di apparecchiature di produzione laser estreme ultraveloci, ha raggiunto una svolta nella "lavorazione a freddo" dei fori a pellicola d'aria nelle pale della turbina del motore aeronautico, colmando il divario nazionale. Questo metodo di elaborazione è più avanzato dell'EDM. La precisione del metodo è maggiore e il tasso di resa è notevolmente migliorato.
I laser ultraveloci possono essere applicati anche alla lavorazione di precisione di materiali compositi rinforzati con fibre, e il miglioramento della precisione della lavorazione contribuirà ad ampliare l'applicazione di materiali compositi come la fibra di carbonio nel settore aerospaziale e in altri settori di fascia alta.
Campo di ricerca
La tecnologia di polimerizzazione a 2 fotoni (2PP) è una tecnologia "nano-ottica" 3D metodo di stampa, simile alla tecnologia di prototipazione rapida mediante fotopolimerizzazione, e il futurista Christopher Barnatt ritiene che questa tecnologia possa diventare una forma di 3D stampa in futuro. Il principio della tecnologia di polimerizzazione a 2 fotoni è quello di polimerizzare selettivamente la resina fotosensibile utilizzando "laser a impulsi femto2". Sembra una prototipazione rapida con fotopolimerizzazione, la differenza è che lo spessore minimo dello strato e la risoluzione dell'asse XY che la tecnologia di polimerizzazione a 2 fotoni può raggiungere sono compresi tra 100 nm e 200 nm. In altre parole, 2PP 3D La tecnologia di stampa è centinaia di volte più precisa della tradizionale tecnologia di stampaggio a fotopolimerizzazione e gli oggetti stampati sono più piccoli dei batteri.
Al momento, il prezzo dei laser ultraveloci è ancora relativamente alto. Come pioniere del settore, STYLECNC sta già producendo apparecchiature di lavorazione laser ultraveloci e ha ottenuto un buon riscontro di mercato. Sono state lanciate apparecchiature di taglio di precisione laser per moduli OLED basate sulla tecnologia laser ultraveloce, apparecchiature di marcatura laser ultraveloci (picosecondo/femtosecondo), apparecchiature di lavorazione laser per smussatura del vetro per schermi di visualizzazione a infrarossi pico2nd e wafer di vetro a infrarossi pico2nd apparecchiature di taglio laser, macchina per taglio invisibile automatico a LED, wafer semiconduttore macchina di taglio laser, apparecchiature per il taglio di coperture in vetro per moduli di identificazione delle impronte digitali, linee di produzione di massa per display flessibili e una serie di prodotti laser ultraveloci.
Pro e contro
Pro
Il laser ultraveloce è una delle direzioni di sviluppo più importanti nel campo dei laser. Come tecnologia emergente, presenta vantaggi significativi nella microlavorazione di precisione. L'impulso ultrabreve generato dal laser ultraveloce interagisce con il materiale per un tempo molto breve e non porta calore ai materiali circostanti, quindi la lavorazione laser ultraveloce è anche chiamata lavorazione a freddo. Questo perché, quando la larghezza dell'impulso laser raggiunge il livello pico2nd o femto2nd, l'influenza sul moto termico molecolare può essere evitata in larga misura, con conseguente minore influenza termica.
Ad esempio, quando tagliamo le uova conservate con un coltello da cucina smussato, spesso le tagliamo in pezzi sottili. Se scegli un metodo di taglio con un bordo del coltello particolarmente affilato che taglia rapidamente il pasticcio, le uova conservate saranno tagliate in modo uniforme e bello. Questo è il vantaggio di essere super veloci.
Contro
I settori manifatturieri di fascia alta, come quello dei circuiti integrati e dei pannelli, hanno requisiti estremamente elevati per le apparecchiature di lavorazione laser e c'è il rischio che le innovazioni tecnologiche non siano all'altezza delle aspettative.
Il prezzo dei laser ultraveloci è elevato e passare a un nuovo fornitore di laser comporta il rischio di non riuscire ad espandere il mercato come previsto, né per i produttori di apparecchiature laser né per gli utilizzatori più a valle.
